(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng mật độ siêu cao trong hệ thống 5G thông qua tối ưu hóa bản tin Paging

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

Phạm Thanh Bình

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2021


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
-----------------------------------------------------------

Phạm Thanh Bình

NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN
MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO TRONG HỆ THỐNG 5G
THƠNG QUA TỐI ƯU HĨA BẢN TIN PAGING
CHUYÊN NGÀNH:
MÃ SỐ:

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN NGỌC MINH

HÀ NỘI - 2021

i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Phạm Thanh Bình


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Ngọc Minh đã tận tình hướng
dẫn, cung cấp tài liệu tham khảo, kinh nghiệm và những ý kiến đóng góp q báu trong
q trình làm luận văn.
Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè những người đã giúp
đỡ và tạo điều kiện để em có thể hồn thành được luận văn này. Trong thời gian thực
hiện luận văn, bản thân em khó tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được ý
kiến đóng góp từ phia thầy cơ và bạn be để luận văn được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Học viên

Phạm Thanh Bình


iii

MỤC LỤC
Contents
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ...............................................................................v
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO ........................................3
1.1. Giới thiệu chung về mạng 5G ............................................................................3
1.1.1. Lịch sử ra đời ..............................................................................................4
1.1.2. Cấu trúc và đặc điểm cơ bản của 5G ...........................................................6
1.1.3. Thuận lợi và thác thức trong mạng di động 5G ..........................................8
1.2. Khái niệm chung về mạng mật độ siêu cao UDN ...........................................10
1.3. Thách thức và định hướng kỹ thuật trong UDN ..............................................12
1.3.1. Sự giao thoa ...............................................................................................13
1.3.2. Tính di động ..............................................................................................15
1.3.3. Backhaul ....................................................................................................16
1.3.4. Tiêu thụ điện năng .....................................................................................18
1.4. Kết luận ............................................................................................................19
CHƯƠNG 2 – KIẾN TRÚC MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO UDN TRONG MẠNG 5G
21
2.1. Các kiến trúc mạng được đề suất cho UDN ....................................................21
2.1.1. Kiến trúc tăng cường Small Cell ...............................................................21


iv

2.1.2. Kiến trúc UDN của METIS.......................................................................23
2.1.3. Kiến trúc người dùng làm trung tâm cho UDN (UUDN) .........................26
2.2. Định hướng nghiên cứu cho các thách thức đã nêu. ........................................29
2.2.1. Mạng linh hoạt Seft Organizing Networks (SON)....................................29
2.2.2. Backhaul ....................................................................................................32
2.2.3. Quản lý tính di động – HandOver (HO) ...................................................35
2.2.4. Quản lý nhiễu ............................................................................................38
2.2.5. Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) .........................................................41
2.3. Kết luận ..............................................................................................................42
CHƯƠNG 3 – TỐI ƯU TÀI NGUYÊN PAGING TRONG 5G UDN .........................44
3.1. Cơ chế PAGING ..............................................................................................46
3.1.1. Giám sát phân trang ..................................................................................46
3.1.2. PAGING phát quảng bá bởi nhà mạng .....................................................48
3.2. Phương pháp tối ưu Giảm lượng bit dành cho UE ID bằng cách phân chia lại
UE ID (PIDP) ............................................................................................................49
3.2.1. Nguyên lý hoạt động. ................................................................................50
3.2.2. Tính tốn mơ hình hệ thống ......................................................................53
3.3. Khảo sát và đánh giá hiệu suất ........................................................................55
KẾT LUẬN ...................................................................................................................61
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................62


v

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Viết tắt
3GPP

Tiếng Anh
The Third Generation Partnership

Tiếng Việt
Dự án hợp tác thế hệ thứ ba

Project
BS

Base Station

Trạm gốc

CRC

Cyclic Redundancy Check

Chu kỳ kiểm tra dự phòng

CRE

Cell Range Expansion

Mở rộng phạm vi vùng phủ

CSI

Channel State Information

Thơng tin tình trạng kênh

DRX

Discontinuous Reception

Tiếp nhận không liên tục

EHF

Extremely High Frequency

Tần số cực cao

e-ICIC

Enhanced Intercell Interference

Phối hợp can thiệp nâng cao

Coordination
Quang học không gian tự do

FSO

Free space optics

HARQ

Hybrid Automatic Repeat reQuest Kết hợp vòng lặp tự động

HO

Hand Over

Chuyển giao

HOF

Handover Failure

Chuyển giao thất bại

ICIC

Inter-cell Interference

Phối hợp can thiệp giữa các ô

Coordination
IDRX

Idle Discontinuous Reception

Chế độ tiếp nhận không liên tục
nhàn rỗi

LDC

Local data center

Trung tâm dữ liệu

LOS

Line of sight

Định hướng đường truyền

LSBs

Least Significant Bits

Những bit ít quan trọng nhất

MAC

Media Access Control

Kiểm soát truy cập thiết bị

MBSFN

Multicast-Broadcast Single

Mạng đơn tần đa phát sóng

Frequency Network
MIMO

Multiple input multiple output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MM

Mobility Management

Quản lý di động

NR

New Radio access technology

Công nghệ truy cập Radio mới


vi

OFDM

OP

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số

Multiplexing

trực giao

Outage Probability

Xác suất công suất máy thu giảm
dưới ngưỡng

Physical Downlink common
Control Channel

Kênh điều khiển chung đường
Kênh chia sẻ đường xuống vật lý

PF

Physical Downlink Shared
Channel
Paging Frame

PHY

Physical Layer

Lớp vật lý

PIDP

Partitioned UE ID-based

Phân trang định hướng dựa trên

Directional Paging

UE ID được phân vùng

PO

Paging Occasion

Sự kiện phân trang

PPHP

Ping-Pong Handover Probability

Xác suất chuyển giao qua lại liên

PDCCH

PDSCH

xuống vật lý

Khung phân trang

tục
PRB

Physical Resource Block

Khối tài nguyên vật lý

PTMP

Point to multipoint

Điểm – Đa

PTP

Point to point

Điểm – Điểm

RACH

Random Access Channel

Kênh truy cập ngẫu nhiên

RAT

Radio Access Technology

Công nghệ truy cập vô tuyến

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

R-PDCCH

Relay Physical Downlink Control

Kênh điều khiển đường xuống vật

Channel

lý chuyển tiếp

RRM

Radio Resource Management

Quản lý tài nguyên vô tuyến

SC-FDMA

Single Carrier Frequency

Đa truy cập phân chia tần số sóng

Division Multiple Access

mang đơn

TV White Spaces

Phổ vơ tuyến khơng được sử dụng

TVWS

trong các băng tần phát sóng TV
TX

Transmission

Truyền tải tín hiệu

UE

User Equipment

Thiết bị người dùng


vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: So sánh mạng UDN và mạng di động truyền thống. ....................................12
Bảng 2.1: Các kiến trúc small cell và đặc điểm của chúng. ..........................................22
Bảng 2.2: Các giải pháp backhaul khơng dây. ..............................................................34
Bảng 3.1: Phân tích dung lượng để phân trang định hướng. .........................................49
Bảng 3.2: Các thông số tính tốn...................................................................................56


viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Ứng dụng mạng 5G. ........................................................................................3
Hình 1.2: Kiến trúc chung cho mạng viễn thơng 5G.......................................................6
Hình 1.3: Công nghệ và kiến trúc mạng siêu dày đặc dành cho 5G. ............................11

Hình 1.4: Mất hiệu quả phổ so với mật độ tế bào. ........................................................14
Hình 1.5: Thơng lượng TCP theo một số lần chuyển giao. ...........................................16
Hình 1.6: Tiêu thụ năng lượng của truyển tải lưu lượng dự liệu với các tải khác nhau.
.......................................................................................................................................19
Hình 2.1: Các kiến trúc small cell đề xuất.....................................................................21
Hình 2.2: Kiến trúc mạng UUDN..................................................................................27
Hình 2.3: HO sự cố do cài đặt của HCP dưới mức tối ưu. ............................................37
Hình 3.1: Giao diện khơng khí định hướng trong truyền thơng 5G. .............................45
Hình 3.2: Khung phân trang (PF) và dịp phân trang (PO) trong mạng kế thừa. ...........47
Hình 3.3: Chia tách UE ID thành 2 phần.......................................................................51
Hình 3.4: Cấu hình các sự kiện phân trang (PO) và phân phối UE trên PO trong PIDP
cho N1 = 2. ....................................................................................................................53
Hình 3.5: So sánh cơng suất hệ thống khi cắt giảm kích thức UE ID với 𝑁2 = 38. .....56
Hình 3.6: So sánh cơng suất hệ thống khi cắt giảm kích thức UE ID với N2 = 32 ......57
Hình 3.7: So sánh cơng suất hệ thống khi cắt giảm kích thức UE ID với N2 = 28. .....57
Hình 3.8: So sánh cơng suất hệ thống khi cắt giảm kích thức UE ID với Bn = 64. ......58
Hình 3.9: So sánh cơng suất hệ thống khi cắt giảm kích thức UE ID với Bn = 128. ....59
Hình 3.10: Mức tiết kiệm năng lượng của hệ thống xét theo tỉ lệ phân trang. ..............60


1

MỞ ĐẦU
Gần đây, nhu cầu sử dụng dữ liệu của con người và máy móc đã đạt đến giới hạn
của công nghệ mạng không dây hiện tại. Mức sử dụng dữ liệu di động trung bình đã
tăng đều đặn hàng tháng kể từ năm 2014.
Lưu lượng truy cập di động được thiết lập tăng gấp 4 lần trước năm 2021 và băng
thông của người dùng dự kiến sẽ tăng gần 50% mỗi năm theo Quy luật tăng trưởng băng
thông Internet của Nielsen (Tỷ lệ tăng trưởng băng thông Internet hàng năm của người
dùng là 50%, đã được đánh giá và kiểm nghiệm trên số liệu thống kê là đúng trong 36

năm qua, từ 1983 - 2019). [1]
Vì vậy, cần có một giải pháp công nghệ mạng không dây mới để đáp ứng nhu
cầu về băng thông, tốc độ sử dụng và công nghệ 5G hiện nay là giải pháp duy nhất cho
vấn đề này. Nhu cầu băng thông rộng di động tăng nhanh hơn bao giờ hết chính là động
lực thúc đẩy sự chuyển dịch từ công nghệ 4G lên 5G.
Các mục tiêu, hiệu suất của mạng không dây 5G được dự báo sẽ làm lu mờ toàn
bộ thành quả đạt được của các thế hệ mạng không dây trước đây. Mạng không dây 5G
sẽ mang lại gần 100% độ khả dụng của mạng lưới, độ trễ dưới 1 ms, băng thông gấp
1.000 lần và tốc độ từ 1 - 10 Gbps, khả năng kết nối lên đến hàng triệu thiết bị trong 1
𝑘𝑚2 . 5G có khả năng cho phép bạn tải xuống 1 bộ phim thời lượng 2 giờ trong 30 giây,
với dung lượng dữ liệu này công nghệ 4G phải thực hiện trong khoảng 6 phút. Tương
lai của 5G sẽ là sự bùng nổ của lưu lượng dữ liệu trên mạng truyền thơng di động. Sẽ
rất khó để đáp ứng yêu cầu dung lượng của 5G thông qua việc tăng hiệu suất phổ hay
sử dụng các phổ tần khác như các thế hệ mạng trước đó đã làm. Khái niệm mạng mật
độ siêu cao (Ultra dense network – UDN) ra đời để đáp ứng các kịch bản sử dụng trong
tòa văn phòng, khu căn hộ, sân vận động hay tàu điện ngầm, nơi có mật độ thiết bị di
động tăng đột biến.
Trong UDN, hạ tầng mạng được thiết kế hướng đến người dùng với các điểm
truy cập hay trạm phát sóng được triển khai dày đặc với phạm vi phủ sóng hẹp hơn, giúp
cải thiện dung lượng hệ thống. Nhưng điều này cũng đặt ra nhiều thách thức cho việc
thiết kế kiến trúc mạng, quản lý tính di động, quản lý nhiễu và đặc biệt là việc sử dụng
tài nguyên một cách hợp lý. Nhiều định hướng nghiên cứu được đặt ra để giải quyết


2

những trở ngại mới này như thiết kế hệ thống mạng tự tổ chức linh hoạt, xây dựng hệ
thống mạng trục nhiều lớp cả có dây và khơng dây, hay phối hợp nhiều kĩ thuật truy
nhập vô tuyến. Việc quản lý tính di động cũng được định hướng lại, lấy người dùng làm
trung tâm, tích hợp lập trình phần mềm nhiều hơn dựa trên sự phát triển của hệ thống

xử lí trong mạng lõi. Việc quản lý tài ngun vơ tuyến phải đối mặt với sự phức tạp và
dày đặc của môi trường truyền thông nhưng vẫn phải đáp ứng yêu cầu tăng vọt về thông
lượng. Điều này thúc đẩy các nghiên cứu mới để tiết kiệm và tối ưu hóa việc sử dụng
tài nguyên cũng như năng lượng.
Sự khác biệt của 5G so với các thế hệ mạng trước là việc thiết lập kết nối vô
tuyến bằng cách sử dụng giao tiếp dựa trên búp sóng đẳng hưởng (beamforming).
Truyền tin có tính định hướng sẽ thay đổi cách giao diện vơ tuyến đang được vận hành.
Vì phạm vi phủ sóng của mỗi búp sóng bị giới hạn, việc phát quảng bá tin nhắn paging
trở nên phức tạp trong 5G. Để bao phủ diện tích của tồn bộ cell, bản tin paging cần
được truyền qua tất cả các búp sóng. Tuy nhiên, việc truyền đồng thời trên tất cả các
búp sóng cùng một lúc là khơng thể do giới hạn về phần cứng, cụ thể là số lượng bảng
anten bị hạn chế tại gNB (trạm gốc). Do đó, bản tin paging sẽ được phát theo hướng trên
một số búp sóng tại một thời điểm và sẽ chiếm dụng nhiều khe thời gian hơn để bao phủ
toàn bộ cell, trong khi phát sóng vơ hướng của 4G chỉ cần phát trong một khe thời gian
trên mỗi PO. Việc phát quảng bá bản tin Paging trên tất cả các búp sóng sẽ làm tăng số
bit dành cho bản tin Paging tăng lên đột biến khi số lượng búp sóng lớn. Đây là một
thách thức rất lớn cho việc quản lý tài nguyên, cụ thể là băng thơng của hệ thống sẽ vì
thế bị chiếm dụng nhiều hơn bởi bản tin Paging, so với mạng 4G.


3

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO
1.1. Giới thiệu chung về mạng 5G
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, hoạt động ở các băng tần 28,
38, và 60 GHz. Theo các nhà phát minh, 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 hồn cảnh. Tính
năng chat video sẽ có hình ảnh mượt mà và trơi 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 thơng, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi đậu xe,
do đó có thể gửi những thơng tin này đến những chiếc xe thông minh của mọi người dân
theo thời gian thực.

Hình 1.1: Ứng dụng mạng 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 mơi trường. Hàng tỷ bộ cảm biến sẽ được tích hợp


4

vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xe hơi
và thiết bị đeo. Tuy nhiên, để cung cấp 5G, các nhà mạng sẽ cần phải tăng cường hạ
tầng cơ sở mạng lưới (BS - trạm gốc). Họ có thể bắt đầu bằng cách khai thác dải phổ
hiện cịn trống. Sóng tín hiệu với tần số đo MHz sẽ được nâng cao lên thành GHz hay
thậm chí nhanh hơn. Tần số giao tiếp của điện thoại hiện nay ở dưới mức 3 GHz nhưng
mạng 5G sẽ yêu cầu những băng tần cao hơn. Mạng 5G được triển khai vào năm 2020
để đáp ứng nhu cầu kinh doanh và người tiêu dùng.

1.1.1. Lịch sử ra đời
Kể từ khi hệ thống 1G được Nordic Mobile Telephone giới thiệu lần đầu tiên vào
năm 1981, cứ khoảng 10 năm lại xuất hiện một thế hệ điện thoại di động mới. Các hệ
thống 2G đầu tiên bắt đầu tung ra vào năm 1991, các hệ thống 3G đầu tiên xuất hiện lần
đầu vào năm 2001 và hệ thống 4G hoàn toàn tuân thủ các tiêu chuẩn "IMT nâng cao"
đã được chuẩn hóa vào năm 2012. Sự phát triển các hệ thống tiêu chuẩn của các mạng
2G (GSM) và 3G (IMT-2000 và UMTS) mất khoảng 10 năm kể từ khi các dự án R & D
chính thức bắt đầu, và quá trình phát triển hệ thống 4G đã được bắt đầu từ năm 2001
hoặc 2002. Các công nghệ làm tiền đề cho một thế hệ mới thường được giới thiệu trên

thị trường từ một vài năm trước đó, ví dụ như hệ thống CdmaOne/IS95 tại Mỹ vào năm
1995 được xem là tiền đề cho 3G, hệ thống Mobile WiMAX ở Hàn Quốc năm 2006
được xem là tiền đề cho 4G, và hệ thống thử nghiệm đầu tiên cho LTE là ở Scandinavia
năm 2009. Từ tháng 4 năm 2008, Machine to Machine Intelligence (M2Mi) Corp - một
tổ hợp trong NASA Research Park - dưới sự lãnh đạo của Geoff Brown - bắt đầu phát
triển công nghệ thông tin liên lạc 5G.
Các thế hệ điện thoại di động thường dựa trên các yêu cầu đối với các tiêu chuẩn
di động khơng tương thích ngược dưới đây theo ITU-R, như IMT-2000 cho 3G và IMTAdvanced cho 4G. Song song với sự phát triển của các thế hệ điện thoại di động của
ITU-R, IEEE và các cơ quan tiêu chuẩn hóa khác cũng phát triển các công nghệ truyền
thông không dây, thường cho tốc độ dữ liệu cao hơn và tần số cao hơn, nhưng phạm vi
truyền ngắn hơn. Các tiêu chuẩn Gigabit IEEE đầu tiên là IEEE 802.11ac, đưa vào


5

thương mại từ năm 2013, và gần như lập tức được tiếp nối bởi tiêu chuẩn đa gigabit
khác là WiGig hay IEEE 802.11ad.
5G sẽ không chỉ là tốc độ dữ liệu cao hơn hay dung lượng mạng cao hơn. Nó
nhắm đến những kiểu dịch vụ mới với độ tin cậy cực cao để xử lý những tác vụ cực kì
quan trọng. 5G hướng đến mục tiêu ảo hóa kết nối vạn vật một cách hiệu quả, từ những
cảm biến đơn giản cho đến những robot phức tạp, tất cả dựa vào việc nâng cấp tốt hơn
nữa dịch vụ thông tin di động băng rộng truyền thống. Điều này đồng nghĩa rằng thế hệ
tiếp theo của các ứng dụng, các dịch vụ và các kịch bản sử dụng sẽ đặt ra những yêu cầu
cực kì đa dạng. Để vượt qua thử thách này, 5G sẽ cần có một kiến trúc hồn toàn mới,
lấy người dùng làm trung tâm. Kiến trúc này cần hết sức linh hoạt để có thể tiếp nhận
và quản lý hàng tỉ kết nối, đem đến một giải pháp mới để kết nối vạn vật, đồng thời lại
tối ưu chi phí và hiệu quả sử dụng năng lượng.
Hướng tiếp cận lấy người dùng làm trung tâm này sẽ đưa ra một hướng suy nghĩ
mới về mạng lưới và thiết bị. Từ phương diện kết nối, người dùng sẽ khơng cịn là những
điểm đầu cuối mà sẽ trở thành một phần không thể thiếu của mạng lưới, nhằm tạo ra

một không gian kết nối không giới hạn. Nhưng 5G khơng chỉ có sự kết nối, mà cịn cả
việc đưa nội dung, ở đây là dữ liệu, là đa phương tiện, đến gần hơn với người dùng, ở
đây có thể là con người, có thể là phương tiện hay máy móc, hay có thể nói là vạn vật.
Tầm nhìn của 5G hướng tới sẽ là một nền tảng thống nhất cho tất cả các loại băng
tần và phổ, từ các băng tần thấp dưới 1 GHz cho đến những băng tần siêu cao như
mmWave. Nền tảng đó sẽ hỗ trợ hàng loạt dịch vụ mới trong khi vẫn cung cấp cơ hội
cho việc triển khai mới hay việc quản lý th bao và tính phí. Chìa khóa thành cơng cho
tầm nhìn đó chính là một thiết kế giao diện truyền thơng linh hoạt, tùy biến cao, thích
hợp với tất cả các dải tầng cũng như tất cả các loại dịch vụ.
Trong khi 5G đã và đang tiếp tục được định hình, với mục tiêu thương mại hóa
vào những năm 2020, thì 4G sẽ vẫn tiếp tục phát triển song hành. Những nâng cấp của
4G mang đến những khả năng mới vượt xa kì vọng và cũng sẽ có những bước chuyển
mình để tiệm cận với những gì 5G có thể đem lại. Tương lai về một hạ tầng mạng đa kết