Luận văn quản lý nhiễu truyền thông d2d trong mạng thông tin di động 5g

1

MỞ ĐẦU
Truyền thông giữa thiết bị với thiết bị (D2D) cho phép tăng cường hiệu suất của
các thiết bị bằng cách cho phép truyền trực tiếp giữa các cặp thiết bị có vị trí gần nhau.
Các nghiên cứu ban đầu đã chứng minh rằng, giao tiếp trực tiếp sẽ cải thiện việc tái sử
dụng phổ, thông lượng, tiêu thụ năng lượng, vùng phủ sóng và giảm độ trễ đầu cuối
đến đầu cuối. Do đó, xu hướng nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng D2D sẽ là một trong
những công nghệ ứng dụng trong mạng di động thế hệ tiếp theo - tức mạng 5G. Tuy
nhiên, việc giới thiệu D2D cho mạng di động đặt ra những thách thức kỹ thuật khác
nhau. Quản lý nhiễu giữa người dùng di động và người dùng D2D được coi là một
trong những vấn đề quan trọng nhất khi D2D được đưa vào mạng di động vì người
dùng D2D chia sẻ cùng dải phổ được cấp phép với người dùng di động.
Từ những lý do trên, tôi đã chọn đề tài: “Quản lý nhiễu truyền thông D2D trong mạng
thông tin di động 5G”.
Trong luận văn này, tơi hướng đến việc tìm hiểu một số nghiên cứu được tìm
thấy trong các khảo sát trước đó bằng cách tập trung vào các kỹ thuật quản lý nhiễu
được đề xuất trong những năm gần đây cho LTE/LTE-A HetNets. Trong đó, luận văn
tập trung đi sâu vào hai phương pháp quản lý nhiễu là ISA và ILA. Khác với các
nghiên cứu trước, luận văn đã tổng quát hóa và mơ hình hóa một hệ thống mạng di
động có nhiều cặp D2D cùng thực hiện truyền thông và đánh giá xem xét hiệu năng
của hệ thống dưới ảnh hưởng của pha đinh.
Kết cấu luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về truyền thông D2D.
Chương 2: Quản lý nhiễu trong truyền thông D2D.
Chương 3: Mô phỏng, đánh giá hiệu năng của phương pháp quản lý nhiễu dưới
ảnh hưởng của kênh pha đinh Rayleigh.

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn

2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG D2D
1.1 Giới thiệu
Sự phát triển liên tục của mạng di động từ 2G đến 3G và 4G đã thay đổi căn bản
thế giới. 2G đã giới thiệu một tiêu chuẩn kỹ thuật số hài hịa cho giọng nói và cho phép
chuyển vùng và tin nhắn SMS đã trở nên phổ biến sau đó. Cuộc cách mạng sang 3G
mang đến trải nghiệm đầu tiên về di động băng rộng và các cải tiến trong giai đoạn
này. 4G mở ra kỷ nguyên di động băng rộng cực nhanh thúc đẩy sự phát triển lớn của
người dùng điện thoại thông minh. Theo dự báo của Hiệp hội các nhà cung cấp di
động toàn cầu (GSA), vào năm 2020, khoảng 90% dân số thế giới sẽ được bao phủ bởi
các mạng di động băng rộng. Lưu lượng dữ liệu di động trong Q1 2015 cao hơn 55%
so với Q1 2014. Đến năm 2020, 80% lưu lượng dữ liệu di động sẽ đến từ điện thoại
thông minh với mức tiêu thụ nội dung dựa trên video, trình điều khiển chính. 5G sẽ trở
thành cơng nghệ truyền thơng di động thống trị trong năm 2020 về số lượng thuê bao,
thu hút 3,6 tỷ người dùng tại thời điểm đó [6].
Giao tiếp D2D đại diện cho một loại công nghệ mơ hình giao tiếp khơng dây
mới, cho phép giao tiếp trực tiếp giữa các thiết bị khơng dây gần đó trong khi vẫn
được điều khiển trong các trạm gốc macro [7]. Với giao tiếp D2D, dữ liệu giữa một
cặp UE không cần phải đi qua mạng lõi như các điểm truy cập (AP) hoặc trạm gốc
(BS) miễn là chúng ở gần nhau. Hình 1.1 minh họa giao tiếp D2D trong các mạng
small cell dày đặc trong tương lai với các macro-cells, micro-cells, pico-cells và
femto-cells. Đặc biệt, truyền thông của D2D gần đây đã thu hút sự quan tâm từ các học
viện và ngành công nghiệp do sự gần gũi, tái sử dụng và tăng số chặng [8].
Mặc dù giao tiếp D2D cung cấp nhiều lợi thế cho các hệ thống LTE/LTE-A
nhưng nó cũng gặp phải một số thách thức nảy sinh về vấn đề nhiễu, sự phát hiện và
đồng bộ hóa thiết bị, lựa chọn chế độ, bảo mật và QoS. Các thách thức này sẽ được
trình bày chi tiết trong các phần sau.

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


3

Hình 1.1. Truyền thơng D2D trong các multi-tier cells trong HetNets [8].
1.2

Những thách thức kỹ thuật của truyền thông D2D trong mạng tế bào
Mặc dù giao tiếp D2D đang được nghiên cứu trong 3GPP- Dự án đối tác thế hệ thứ

3, nhưng D2D vẫn chưa hoàn thiện và phải đối mặt với nhiều thách thức và vấn đề kỹ
thuật liên quan đến các khía cạnh như phát hiện thiết bị, lựa chọn chế độ, bảo mật và
giảm thiểu nhiễu. Trọng tâm chính của chương này là quản lý nhiễu nhưng những
thách thức khác mà truyền thông D2D phải đối mặt cũng được thảo luận ngắn gọn.
1.2.1 Phát hiện thiết bị
Trước khi hai thiết bị có thể giao tiếp trực tiếp với nhau, trước tiên chúng phải biết
được rằng chúng ở gần nhau. Trong giai đoạn phát hiện thiết bị, các thiết bị tìm kiếm
sự hiện diện cùng cấp trong phạm vi của chúng để liên lạc với D2D [8]. Phát hiện này
được thực hiện bằng cách gửi tín hiệu khám phá để xác định sự hiện diện của các thiết
bị có thể ở gần nhau và sau đó nhận dạng của các thiết bị có thể được trao đổi giữa cặp
mới. Khi hai UE tìm thấy nhau trong giai đoạn phát hiện thiết bị, chúng được coi là
ứng viên của D2D. Cuối cùng, một loạt các thông báo về chất lượng liên kết được
truyền giữa các thiết bị và BS. Thơng tin này đóng vai trị là đầu vào cơ bản cho lựa
chọn chế độ và các ứng viên D2D không thể giao tiếp trực tiếp cho đến khi tiêu chí lựa
chọn chế độ được thỏa mãn.

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


4

1.2.2 Lựa chọn chế độ giao tiếp
Truyền thông thiết bị - thiết bị (D2D) có thể sử dụng dải tần số được cấp phép
(Inband), hoặc không được cấp phép (Outband) để tạo liên kết trực tiếp. Có hai loại
chính trong truyền thơng thiết bị - thiết bị (D2D). Đó là In-band và Out-band.
Truyền thông D2D ở chế độ Inband được định nghĩa là truyền thông D2D và
truyền thông di động thông thường sử dụng chung một dải tần số của truyền thông di
động, và mức độ ưu tiên cho truyền thơng di động là cao hơn và nó được chia làm hai
loại chính: Underlay và Overlay.
Lựa chọn chế độ giao tiếp được thực hiện sau khi cặp ứng viên D2D tìm thấy nhau
để liên lạc trong tương lai. Mặc dù các ứng viên D2D nằm trong phạm vi giao tiếp trực
tiếp với nhau, nhưng có thể khơng tối ưu để chúng làm việc ở chế độ D2D từ góc độ
hiệu suất. Lựa chọn chế độ có nghĩa là mạng các ứng viên D2D quyết định liệu chúng
nên giao tiếp trực tiếp hoặc qua mạng như mạng di động thông thường. Chế độ giao
tiếp được phân loại thành các chế độ được mơ tả như Hình 1.2 và Hình 1.3.
-

Chế độ dành riêng (Dedicated mode)/Overlay mode: Trong chế độ này, mạng di
động có tài nguyên kênh phong phú để các DUE có thể sử dụng các tài nguyên
chuyên dụng trực giao với các thiết bị người dùng tế bào (CUE).

-

Chế độ tái sử dụng (Reuse mode)/Underlay mode: Trong chế độ này, giao tiếp

D2D sẽ chia sẻ cùng một tài nguyên với các CUE hiện có và do đó có thể gây
nhiễu cho CUE.

-

Chế độ di động (Cellular mode): Hai UE sẽ giao tiếp dưới dạng CUE truyền
thống, nghĩa là giao tiếp với nhau thông qua thiết bị trung gian BS.

Truyền thông D2D ở chế độ Outband được định nghĩa là truyền thông D2D sử
dụng dải tần số khác với truyền thông di động thơng thường, có thể là dải tần số của
sóng vơ tuyến, …

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


5

Truyền thơng D2D

Inband

Underlay

Outband

Overlay

Controlled

Autonomous

Hình 1.2. Phân loại truyền thơng D2D (theo phổ tần số).
Hình 1.3 mơ tả phân loại chi tiết truyền thông D2D theo phổ tần số.

D2D

Thời gian

Out band

In band

Underlay

Overlay
D2D

D2D

Di động

Di động

Phổ di động

Phổ di động

Truyền thông di động

Truyền thông D2D

Phổ di động

Phổ ISM

Hình 1.3. Sơ đồ phân loại chi tiết truyền thông D2D.
Chế độ Tái sử dụng Reuse mode/Underlay đạt được hiệu quả phổ cao hơn so
với các chế độ giao tiếp khác, nhưng giao tiếp D2D trong chế độ chia sẻ tài nguyên
này có thể gây nhiễu cho các UE di động và các UE D2D khác sử dụng tài nguyên vô
tuyến di động. Mặt khác, chế độ Dedicated mode/Overlay mode hồn tồn có thể tránh
nhiễu do một số tài nguyên được dành riêng cho truyền thông D2D. Tuy nhiên, việc sử
dụng phổ có thể rất kém trong chế độ chia sẻ tài nguyên này. Các chế độ giao tiếp của
D2D có tác động trực tiếp đến nhiễu trong mạng và do đó, nên lựa chọn chế độ giao
tiếp cẩn thận sau nhiều phân tích. Trong giới hạn của Luận văn, ở đây luận văn chỉ tập
trung nghiên cứu vấn đề nhiễu trong chế độ tái sử dụng của truyền thông D2D.

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


6

1.2.3 Bảo mật
Cung cấp bảo mật hiệu quả là một vấn đề lớn trong giao tiếp D2D. Mạng truyền
thông D2D có nhiều rủi ro bảo mật do việc định tuyến dữ liệu người dùng thông qua
các thiết bị khác của người dùng. Dữ liệu này có thể bị xâm nhập và đánh cắp, vi phạm
quyền riêng tư và bảo mật. Vì giao tiếp của D2D có thể dễ bị tấn cơng bởi các cuộc tấn

cơng độc hại (ví dụ: giả mạo, nghe lén, tấn công trung gian, v.v.), nên cần có các cơ
chế xác thực và thỏa thuận chính để tăng cường bảo mật thông tin liên lạc của D2D
trong các mạng di động. Bảo mật của thiết bị có thể được đảm bảo nếu truy cập đóng
được áp dụng cho các thiết bị. Khi truy cập gần, một thiết bị sẽ có một danh sách các
thiết bị đáng tin cậy nhất định như người dùng ở gần, nếu không, người dùng đã được
hợp pháp hóa thơng qua một bên đáng tin cậy như một hiệp hội, có thể giao tiếp với
nhau một cách tình cờ khác, duy trì một mức độ tùy ý, trong khi các thiết bị không có
trong danh sách này cần sử dụng cấp độ macro cell để liên lạc với nó. Thay vì điều
này, trong truy cập mở, mỗi thiết bị có thể bật để chuyển tiếp cho các thiết bị khác bị
tước bỏ mọi giới hạn. Khai thác nhiễu có thể được sử dụng như một trợ giúp để cung
cấp thông tin liên lạc bí mật trong giao tiếp D2D, được giải thích trong [9].
1.2.4 Quản lý nhiễu
Quản lý nhiễu là một trong những thách thức quan trọng nhất đối với giao tiếp
D2D trong các mạng di động. Như được mô tả trước đây, các nhà khai thác thích chế
độ chia sẻ để tăng hiệu quả phổ, nhưng điều này gây ra vấn đề nhiễu. Vì nhiều người
dùng D2D và người dùng di động đang sử dụng cùng một phần phổ, những điều này
có thể gây ra sự gián đoạn cho nhau. Quản lý nhiễu trong giao tiếp D2D và các kỹ
thuật khác nhau được sử dụng để giảm nhiễu được giải thích chi tiết trong phần tiếp
theo.
1.3 Quản lý nhiễu trong truyền thông D2D
Do sự xuất hiện của truyền thông D2D vào mạng di động tế bào, kiến trúc tế bào
thay đổi và hiện bao gồm hai tầng [10]. Tầng thứ nhất là lớp macrocell thông thường,
liên quan đến giao tiếp giữa BS và thiết bị. Tầng mới, được gọi là tầng thiết bị liên
quan đến giao tiếp D2D. Hệ thống như vậy được gọi là kiến trúc hệ thống hai lớp hoặc
di động. Kiến trúc mới có sự cải thiện đáng kể về thông lượng, độ bao phủ, độ trễ endto-end nếu được thiết kế cẩn thận [11]. Tuy nhiên, sẽ nảy sinh ra một số thách thức và
vấn đề kỹ thuật cho cả thiết bị người dùng D2D (DUE) và thiết bị người dùng di động
(CUE). Trong số những thách thức này, việc quản lý nhiễu giữa CUE và DUE trở
GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn

7

thành một trong những vấn đề quan trọng nhất đối với giao tiếp của D2D trong chế độ
chia sẻ mà ở đó cùng một tài ngun vơ tuyến được sử dụng cho cả giao tiếp di động
và D2D. Nên ưu tiên triển khai giao tiếp D2D trong chế độ chia sẻ để nâng cao hiệu
quả phổ. Tuy nhiên, điều này đổi lại, dẫn đến những thách thức quản lý nhiễu nghiêm
trọng do liên quan đến các tình huống giao tiếp di động, hệ thống yêu cầu quản lý các
tình huống nhiễu mới. Nếu nhiễu được tạo ra không được kiểm sốt tốt, nó sẽ làm
giảm lợi ích tiềm năng của truyền thông D2D do năng lực và hiệu quả chung của cell
bị suy giảm. Phần này của nghiên cứu giải thích việc quản lý nhiễu trong kiến trúc
mạng hai lớp về loại nhiễu, mức điều khiển nhiễu và kỹ thuật quản lý nhiễu.
1.3.1 Các loại nhiễu trong kiến trúc mạng hai tầng
Trong kiến trúc mạng hai tầng, hai loại nhiễu: co-tier và cross-tier được giới thiệu
như trong Hình 1.4. Tất cả các kịch bản nhiễu có thể có trong Hình 1.4 được giải thích
trong phần này và được minh họa trong Hình 1.5.
1.3.1.1 Nhiễu đồng tầng (Co-tier interference)
Kiểu nhiễu này được tạo ra giữa các thành phần mạng thuộc cùng một tầng trong
mạng. Trong trường hợp mạng di động được bật, nhiễu đồng tầng xảy ra giữa người
dùng D2D và người dùng D2D khác trong cùng tầng. Người dùng D2D gây nhiễu cho
nhau là người dùng D2D lân cận vì chúng nằm gần nhau. Để thiết lập một liên kết trực
tiếp giữa những người dùng D2D, giá trị tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SINR) phải cao
hơn tham số ngưỡng được xác định trước. Mặt khác, nếu DUE SINR giảm xuống dưới
tham số ngưỡng được xác định do nhiễu đồng tầng, liên kết truyền thông không thể
được thiết lập [8].
Trong các hệ thống OFDMA, nhiễu đồng tầng được tạo ra khi cùng một tập hợp
các khối tài nguyên được phân bổ cho nhiều DUE. Trong trường hợp này, nhiễu luôn
được tạo ra từ máy phát D2D đến máy thu D2D trong một cặp D2D được gán cùng
một tài nguyên di động bất kể hướng tái sử dụng tài nguyên (UL/DL). Hơn nữa, nhiễu

đồng tầng phát sinh tại máy thu D2D từ máy phát D2D lân cận có thể được giảm thiểu
thông qua các kỹ thuật ghép tần số phù hợp của người dùng.

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


8
Loại nhiễu

Nhiễu đồng tầng
(Co-tier)

DUE-DUE

Nhiễu chéo
(Cross-tier)

Uplink

Downlink

DUE-BS

BS-DUE

CUE-DUE

DUE-CUE

Hình 1.4. Các loại nhiễu trong mạng di động D2D hai tầng

Uplink

Downlink
Liên kết D2D
Liên kết di động
Nhiễu đồng tầng
Nhiễu chéo

Hình 1.5. Các kịch bản nhiễu cho tài nguyên tái sử dụng khác nhau.
1.3.1.2 Nhiễu chéo (cross-tier interference)
Loại nhiễu này được tạo ra giữa các thành phần mạng thuộc các tầng khác nhau,
tức là nhiễu giữa DUE và CUE. Nhiễu giữa các lớp có thể nằm giữa (i) CUE với một
DUE và giữa (ii) CUE và nhiều DUE. Kịch bản nhiễu này xảy ra khi các khối tài
nguyên được phân bổ cho người dùng di động được sử dụng lại bởi một (hoặc nhiều)

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


9

người dùng D2D. Trong loại nhiễu này, nguồn gây nhiễu và nạn nhân của nhiễu là
khác nhau tùy thuộc vào hướng tái sử dụng tài nguyên (UL/DL).
Trường hợp 1: Nhiễu từ D2D sang mạng di động: Khi các liên kết D2D sử dụng
cùng một tài nguyên tần số như CUE theo hướng đường lên, máy phát D2D sẽ gây
nhiễu vào eNB và người sử dụng đường lên di động sẽ gây nhiễu vào máy thu D2D.

Trường hợp 2: Nhiễu từ mạng di động đến người dùng D2D: Mặt khác, khi tài
nguyên đường xuống của băng tần được cấp phép được sử dụng lại cho các liên kết
D2D, eNB sẽ gây nhiễu vào máy thu D2D và máy phát D2D sẽ gây nhiễu vào người
dùng đường xuống di động.
1.3.2 Mức kiểm sốt nhiễu
Nói chung, các sơ đồ quản lý nhiễu có thể được phân loại thành các cách tiếp
cận tập trung, phân tán và bán phân tán tùy thuộc vào hoạt động của thuật tốn như
trong Hình 1.6.

MỨC KIỂM SỐT
Tập trung
Bộ điều khiển
trung tâm
thực hiện
quản lý nhiễu

Phân tán
DUE
thực hiện
quản lý nhiễu

Bán phân tán
Có thể xác định
các mức độ
tham gia mạng
khác nhau

Hình 1.6. Mức độ kiểm sốt nhiễu trong truyền thơng D2D.
1.3.2.1 Mức kiểm soát nhiễu tập trung
Theo cách tiếp cận tập trung, eNB quản lý hoàn toàn sự can nhiễu giữa người dùng

di động và người dùng D2D. Thực thể trung tâm này thu thập thông tin như thông tin
trạng thái kênh (CSI), chất lượng kênh, mức độ nhiễu cho từng người dùng trong
mạng, quyết định các kênh để gán cho từng người dùng với định dạng và mức công
suất phù hợp. Dựa trên thông tin thu được, thực thể trung tâm phân bổ tài nguyên cho
từng CUE hoặc DUE. Vấn đề chính với các sơ đồ tập trung là lượng tín hiệu quá lớn
cần thiết để trao đổi CSI và phản hồi. Hơn nữa, độ phức tạp quản lý nhiễu tăng theo
cấp số nhân với số lượng người dùng trong mạng do hoạt động được thực hiện bởi một
thực thể duy nhất, phải xử lý một lượng lớn dữ liệu. Do đó, các sơ đồ tập trung chỉ có
thể được áp dụng cho các mạng D2D cỡ nhỏ [8].

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


10

1.3.2.2 Mức kiểm soát nhiễu phân tán
Trong sơ đồ phân tán, hoạt động quản lý nhiễu không yêu cầu thực thể trung tâm
và được thực hiện tự động bởi chính DUEs. Sơ đồ phân tán làm giảm chi phí kiểm sốt
và tính tốn, do CSI và phản hồi hạn chế. Tuy nhiên, nhiễu rất khó phối hợp. Cách tiếp
cận này phù hợp hơn với các mạng D2D kích thước lớn [8].
1.3.2.3 Mức kiểm soát nhiễu bán phân tán
Mặc dù cả hai phương pháp tập trung và phân tán đều có những ưu điểm và nhược
điểm, nhưng sự đánh đổi có thể đạt được giữa chúng. Các chương trình quản lý nhiễu
như vậy được cho là của bán phân tán hoặc lai (hybrids). Trong các sơ đồ quản lý
nhiễu bán phân tán, các mức độ tham gia khác nhau có thể được xác định. Đề án như
vậy có thể phù hợp cho các mạng lớn vừa phải [8].
1.4 Tính tốn
Để phân tích và thiết kế các sơ đồ quản lý nhiễu trong D2D, nghiên cứu mở rộng

mạng di động đã được thực hiện bằng các lý thuyết toán học bao gồm hình học ngẫu
nhiên, lý thuyết đồ thị, lý thuyết tiến hóa, lý thuyết hàng đợi và lý thuyết tối ưu hóa.
1.4.1 Hình học ngẫu nhiên
Hình học ngẫu nhiên là một nhánh của xác suất ứng dụng cho phép nghiên cứu các
hiện tượng ngẫu nhiên trên mặt phẳng. Về bản chất nó liên quan đến lý thuyết về các
q trình điểm. Nó đã được sử dụng như một cơng cụ để mô tả nhiễu trong các mạng
không dây trong một thời gian dài. Các cơng cụ mạnh mẽ từ hình học ngẫu nhiên đã
được áp dụng thành cơng vào mơ hình khơng gian và phân tích hiệu suất của cả mạng
khơng dây và mạng ad hoc và di động [12]. Gần đây, các công cụ này đã được sử dụng
để mô tả các khía cạnh khác nhau của mạng D2D, chẳng hạn như lựa chọn chế độ
trong giao tiếp D2D làm nền tảng cho các mạng di động [13], quản lý nhiễu của D2D
[14] truyền phát đa hướng [15] và bộ nhớ đệm phân tán trong các mạng D2D [30].
1.4.2 Lý thuyết đồ thị
Lý thuyết đồ thị là một công cụ hiệu quả để mơ hình hóa và phân tích các loại
tương tác, quan hệ và động lực khác nhau trong các mạng khác nhau. Một biểu đồ có
thể được sử dụng để biểu diễn các mối quan hệ nhiễu giữa các liên kết truyền thông
D2D khác nhau và các liên kết giao tiếp di động, và vấn đề chia sẻ tài nguyên có thể
được giải quyết bằng lý thuyết biểu đồ. Lý thuyết đồ thị đã được sử dụng để quản lý
nhiễu trong lớp underlay D2D trong một số công trình gần đây [31], [32].

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


11

1.4.3 Lý thuyết tiến hóa
Trong [33] lý thuyết về trị chơi tiến hóa được áp dụng cho một mạng di động nhận
thức với truyền thông D2D. Một kế hoạch lựa chọn chế độ và phân bổ tài nguyên phân

tán được đề xuất cho người dùng thứ cấp để tối đa hóa tiện ích phổ. Người dùng có thể
chọn để hoạt động ở chế độ di động (chế độ BS) hoặc chế độ D2D. Các tác giả cố gắng
tối ưu hóa tiêu chí MS với một bộ tiện ích xem xét tốc độ dữ liệu, công suất truyền và
nhiễu chéo cho các chế độ được đề cập ở trên, sau đó sử dụng trị chơi tiến hóa để có
được MS. Thơng qua mô phỏng, các tác giả cho thấy sơ đồ được đề xuất cải thiện hiệu
năng hệ thống so với giao tiếp lớp overlay D2D.
1.4.4 Lý thuyết hàng đợi
Lý thuyết hàng đợi là một cơng cụ phân tích hữu ích để mơ hình hóa một loạt các
vấn đề và kịch bản trong các mạng truyền thông [34]. Theo truyền thống, các mơ hình
dựa trên lý thuyết hàng đợi đã được sử dụng rộng rãi để dự đoán QoS của các mạng
truy cập. Trong các nghiên cứu trước đây, các mô hình xếp hàng được sử dụng để
đánh giá các tham số QoS như xác suất chặn gói, độ trễ và thơng lượng gói trung bình.
Các tác giả của [35] xây dựng một khung phân bổ nguồn lực và phân bổ nguồn lực
nhận biết độ trễ tập trung bằng mơ hình hàng đợi để tối ưu hóa hoạt động kiểm sốt tài
nguyên.
1.5 Các công nghệ tiên tiến trong quản lý nhiễu trong mạng di động hỗ trợ D2D
Việc phân loại quản lý nhiễu trong mạng hai tầng do bổ sung tầng thiết bị mới đã
được giải thích từ các quan điểm khác nhau trong Phần 1.3. Công việc nghiên cứu về
quản lý nhiễu trong mạng di động cho phép D2D vẫn đang tiếp tục và nhiều đề án đã
được đề xuất. Trong phần này, các kế hoạch quản lý nhiễu chính sẽ được xem xét. Có
nhiều phương án khác nhau để quản lý nhiễu giữa các tầng và nhiễu giữa các tầng
được tạo ra bởi truyền thông D2D nhưng nguyên tắc làm việc hoặc công nghệ của
chúng rất khác nhau. Do đó, có thể phân loại sơ đồ quản lý nhiễu dựa trên các nguyên
tắc làm việc cơ bản hoặc các cơng nghệ cho phép chính được minh họa trong Hình 1.7
Trường quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) chỉ định kỹ thuật quản lý tài nguyên vô
tuyến mà phương pháp được đề cập xem xét xem đó là điều khiển công suất, lựa chọn
chế độ hoặc phân bổ tài nguyên. Trường độ phức tạp của mạng cho biết số lượng cell,
tức là một/nhiều cell, số cặp D2D và CUE, tức là một/nhiều cặp D2D, một/nhiều CUE.

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


12

1.5.1 Tách phổ
Cách dễ nhất để phối hợp nhiễu chéo giữa tầng di động và thiết bị là sử dụng phân
tách phổ, điều này sẽ đơn giản hóa nhiễu giữa DUE và CUE. Các tác giả của [36] sử
dụng phân tách phổ, trong đó đề xuất chia dải phổ thành hai phần, như đã chỉ ra trong
Hình 1.8. Một phần sẽ được dành riêng cho CUE và phần còn lại sẽ được chỉ định đến
các DUE. Điều này sẽ chỉ giải quyết nhiễu đồng tầng. Tuy nhiên, các kênh chuyên
dụng cho giao tiếp D2D sẽ dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả các kênh khả dụng
tùy thuộc vào số lượng thiết bị đầu cuối D2D và tỷ lệ phổ có sẵn cho chúng. Điều đáng
chú ý là sơ đồ phân tách phổ chỉ nhằm mục đích giải quyết nhiễu giữa các lớp giữa
người dùng D2D và người dùng di động. Do đó, cần có một cơ chế bổ sung để giảm
thiểu nhiễu đồng tầng trong chiến lược phân tách phổ.

Hình 1.7. Phân loại các kỹ thuật quản lý nhiễu trong D2D.

Hình 1.8. Chia phổ

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


13

1.5.2 Điều khiển công suất

Mặc dù công suất phát cao hơn của người dùng D2D có thể cung cấp vùng phủ
sóng rộng hơn và chất lượng tín hiệu tốt hơn, nhưng đồng thời, nó có thể gây nhiễu rất
lớn đến mạng di động. Cơ chế điều khiển cơng suất thích hợp (PC) là một cách tiếp
cận để đối phó với nhiễu được tạo từ DUE đến mạng di động cho cả trường hợp UL và
DL, cũng như nhiễu đồng cấp giữa các DUE trong mạng di động lai với giao tiếp
D2D. Nó điều phối nhiễu do DUE áp đặt cho mạng di động và nhiễu từ DUE sang
DUE lân cận bằng cách kiểm sốt mức cơng suất phát của DUE để cải thiện cơng suất
hệ thống, vùng phủ sóng và giảm mức tiêu thụ năng lượng. Để đáp ứng các mục tiêu
này, các sơ đồ của PC nhằm tối đa hóa cơng suất phát và đồng thời hạn chế nhiễu được
tạo ra. Lợi ích của các sơ đồ này nằm ở chỗ các DUE và CUE có thể khai thác tồn bộ
băng thơng với sự phối hợp nhiễu. BS cũng có thể điều chỉnh cơng suất phát của mạng
di động để giảm nhiễu từ mạng di động (eNB và CUE) đến máy thu D2D.
Cài đặt nguồn có thể được thực hiện theo kiểu tĩnh hoặc động. Cài đặt tĩnh bao
gồm sơ đồ công suất cố định hoặc sơ đồ tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR), trong khi cài
đặt công suất động được ưu tiên và bao gồm sơ đồ điều khiển cơng suất vịng mở
(OLPS) hoặc sơ đồ điều khiển cơng suất vịng đóng (CLPS) [37]. Trong cài đặt OLPS,
người dùng D2D điều chỉnh công suất phát dựa trên kết quả đo hoặc các tham số hệ
thống được xác định trước. Trong cài đặt CLPS, người dùng D2D điều chỉnh cơng suất
phát của nó dựa trên sự phối hợp với eNB. Dựa trên các nghiên cứu được thực hiện
trong [37] kết luận rằng sơ đồ điều khiển công suất vịng đóng có thể là sơ đồ điều
khiển cơng suất phù hợp cho DUE.
Một số thuật toán điều khiển công suất đã được đề xuất cho truyền thông D2D
được trả phí qua mạng di động. Một cơ chế kiểm soát tập trung đơn giản đã được đề
xuất trong [38] trong kịch bản một cell với một cặp D2D và một CUE để hạn chế
nhiễu nội cell từ DUE đến mạng di động (cả BS và CUE). Điều này được thực hiện
bằng cách giảm mức công suất của các máy phát D2D khỏi công suất tối đa sao cho
SINR của liên kết di động không bị suy giảm dưới một mức nhất định. Để đạt được
điều này, trước tiên, tỷ số SINR của người dùng di động được thiết lập và sau đó điều
khiển cơng suất được áp dụng cho giao tiếp D2D để hạn chế quá nhiều nhiễu đối với
giao tiếp di động. Hiệu suất đã được thực hiện dựa trên các giá trị khác nhau của D

(khoảng cách của cặp D2D từ BS) và L (khoảng cách giữa các cặp D2D). Họ kết luận
rằng, tồn tại một giá trị ngưỡng D theo vị trí của cặp D2D để quyết định khi nào tài
GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


14

nguyên UL hoặc DL nên được sử dụng lại cho giao tiếp D2D. Nếu D nhỏ hơn giá trị
ngưỡng, chia sẻ tài nguyên DL được ưu tiên cho giao tiếp D2D. Mặt khác, nếu D lớn
hơn giá trị ngưỡng, tài nguyên UL có lợi cho giao tiếp D2D. Tuy nhiên, hạn chế chính
của phương pháp kiểm sốt như vậy là nó sẽ dẫn đến việc sử dụng tài ngun khơng
hiệu quả do nó được thiết kế cho trường hợp xấu nhất.
Để đảm bảo độ tin cậy của người dùng di động, các tác giả của [39] đề xuất một
kế hoạch không gây ra sự cố ngừng hoạt động cho CUE. Họ tuyên bố rằng giả sử DUE
biết về vị trí và trạng thái kênh của CUE là không khả thi trong một hệ thống thực. Do
đó, họ thiết kế sơ đồ điều khiển cơng suất phân tán mà khơng có bất kỳ sự phối hợp
nào từ bộ điều khiển trung tâm sử dụng các ước tính thống kê về mức tăng kênh giữa
chính nó và eNB để tận dụng biên độ nhiễu được chỉ định của CUE. Ban đầu, các
DUE thiết lập mức công suất phát của chúng theo cách sao cho việc truyền của chúng
không vượt quá giới hạn nhiễu của CUE. Điều chỉnh cơng suất D2D có thể được thực
hiện nếu biên độ nhiễu và ước tính mức tăng kênh giữa DUE và BS được biết đến. Sau
đó, giao thức định tuyến nguồn động (DSR) được sử dụng giữa nguồn D2D và đích để
khám phá tuyến đường single hop hoặc multihop giữa chúng.
Bản thân PC (Power control) không phải là một phương án hiệu quả để xử lý
nhiễu áp đặt cho DUE và nó nên được xem xét cùng với lựa chọn chế độ, lập lịch tài
nguyên và điều chỉnh liên kết sẽ được giải thích trong các phần tiếp theo.
1.5.3 Phân bổ tài nguyên vô tuyến
Phân bổ tài nguyên vô tuyến (RRA- Radio resource allocation) chủ yếu giải

quyết các vấn đề nghiên cứu về cách phân bổ tối ưu tài nguyên tần số cho một nhóm
hoặc tất cả các cặp D2D để tối ưu hóa một số số liệu hiệu suất.
1.5.3.1 Tái sử dụng tần số phân số (FFR)
Tái sử dụng tần số phân số (FFR- Fractional frequency reuse) là một kỹ thuật
quản lý nhiễu chéo giữa các lớp để giảm thiểu nhiễu lẫn nhau giữa CUE và DUE trong
mạng di động hỗ trợ D2D. Ý tưởng cơ bản của sơ đồ này là phân các vùng cell thành
các vùng khơng gian và nó cũng phân chia toàn bộ phổ tần số thành một số dải con.
Do các dải tần cho phần bên trong cell không bị chồng lấn với các cell lân cận, nên có
thể giảm nhiễu từ các cell lân cận. Một cơ chế được đề xuất là chia sẻ tần số sử dụng
bốn nhóm tài nguyên (F1- F4) để giảm nhiễu giữa các lớp giữa CUE và DUE. Trong
sơ đồ này, mỗi cell được chia thành hai vùng: bên trong cell và bên ngoài cell. Các dải
tần số khác nhau được phân bổ cho CUE và DUE theo vị trí của chúng. Đầu tiên, vị trí
GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Ln


15

của DUE được xác định, nơi chúng nằm ở khu vực bên trong hoặc khu vực bên ngồi.
Sau đó, nếu các DUE nằm ở vùng bên trong của eNB, chúng có thể sử dụng các dải
tần mà các UE chuyển tiếp eNB không sử dụng trong cell hiện tại. Mặt khác, nếu các
DUE nằm ở vùng bên ngồi, chúng có thể sử dụng lại các dải tần trừ các dải con được
sử dụng bởi các UE chuyển tiếp eNB ở vùng ngồi cùng của cell.

Hình 1.9. Phân bổ băng tần dựa trên FFR.
Trong Mumtaz et al. (2014), một sơ đồ quản lý nhiễu khác cho mạng di động
hỗ trợ D2D được trình bày dựa trên FFR để tránh nhiễu chéo giữa người dùng di động
và người dùng D2D. Dải tần số khả dụng được phân bổ cho từng cell dựa trên FFR 3
thành phần được mô tả trong sơ đồ hình 1.9. Phạm vi bao phủ của cell được chia thành

khu vực trung tâm cell (tương ứng với 63% tổng diện tích bao phủ cell) và khu vực lân
cận cell, bao gồm ba vùng cho mỗi khu vực. Khu vực trung tâm cell có hệ số tái sử
dụng là một, trong khi vùng cạnh của cell sử dụng hệ số tái sử dụng là ba. Toàn bộ dải
tần được chia thành bốn phần và một trong số chúng được gán cho vùng trung tâm cell
và phần còn lại của dải được gán cho ba vùng cạnh. Hình 1.9 cho thấy sự phân bổ tần
số. Băng con X được sử dụng trong vùng trung tâm cell (C1, C2 và C3) và các băng
con Y, Z và D được sử dụng tương ứng ở vùng R1, R2 và R3. Để giảm nhiễu giữa
CUE và DUE, DUE chọn các băng con không được sử dụng trong khu vực phụ của
người dùng di động. Đối với CUE, các băng con khác nhau được phân bổ cho từng
khu vực phụ của cell LTE theo FFR. Ngoài ra, nếu DUE nằm trong khu vực trung tâm
cell thì nó sẽ loại trừ các băng con đã được CUE sử dụng trong trung tâm cell cũng
như băng tần được CUE sử dụng trong các khu vực phụ của khu vực hiện tại. Ý tưởng
của họ là cường độ tín hiệu của hai băng con liên quan cao đến mức có thể gây nhiễu
nghiêm trọng đến DUE ở khu vực phụ bên trong.
Do cả hai cách tiếp cận được đề cập ở trên đều khai thác một phần cố định, nên
chúng có khả năng làm thơng lượng thấp đi do sử dụng tài nguyên băng thông không
GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


16

hiệu quả. Để giảm nhiễu giữa các tầng phục vụ chia sẻ băng thơng, có thể sử dụng
phương pháp chia phần tài nguyên động theo tần suất hoặc thời gian.
1.5.3.2 Lý thuyết đồ thị
Lý thuyết đồ thị đã được sử dụng để quản lý nhiễu trong lớp Underlay D2D
trong một số cơng trình gần đây [31]; [32]. Một sơ đồ chia sẻ tài nguyên dựa trên biểu
đồ nhận biết nhiễu đã được phát triển trong [32] để giảm nhiễu giữa các lớp trong DL.
Đề án bao gồm hai giai đoạn; trong giai đoạn đầu tiên, BS trước tiên xây dựng một

biểu đồ nhiễu tương ứng với cấu trúc liên kết mạng. Trong biểu đồ, mỗi đỉnh có ba
thuộc tính: thuộc tính liên kết, thuộc tính tài nguyên và thuộc tính cụm. Trọng số của
các cạnh của đồ thị (liên kết giữa hai đỉnh) được tính bằng tổng của nhiễu lẫn nhau
giữa hai đỉnh. Trong giai đoạn thứ hai, một thuật toán gán tài nguyên được áp dụng để
phân bổ RB cho các liên kết truyền thông di động và D2D khác nhau. Thuật tốn hoạt
động thơng qua một tìm kiếm tồn diện và do đó có độ phức tạp cao.
Trong [19] các tác giả đề xuất sử dụng phân bổ tài nguyên dựa trên biểu đồ màu
pproach để giảm nhiễu giữa các lớp giữa CUE và DUE trong UL và tăng mức độ sử
dụng phổ của hệ thống. Trong sơ đồ đề xuất, các chức năng bổ sung được thêm vào
cho các UE; trong đó các máy phát D2D sử dụng cơ chế thông tin nhiễu đơn giản để
phát hiện nhiễu do truyền dẫn di động đến truyền thông của D2D và gửi thông tin này
đến eNB để thông báo về nhiễu trong vùng lân cận. Sau đó, eNB sử dụng thông tin này
để xây dựng cấu trúc liên kết mạng bằng biểu đồ tranh chấp nút. Biểu đồ của cấu trúc
liên kết được vẽ như sau: các đỉnh biểu thị các UE có tài nguyên được phân bổ (các ô
UE) hoặc các cặp yêu cầu giao tiếp trong nội bộ, các cạnh thể hiện sự nhiễu giữa các
đỉnh ngụ ý rằng các đỉnh được kết nối không thể sử dụng cùng một tài nguyên và các
cạnh phụ kết nối các cell UE với nhau, trực quan hóa việc phân bổ tài nguyên chính.
Sau khi tạo biểu đồ nhiễu, vấn đề phân bổ tài nguyên giữa CUE và DUE được giải
quyết bằng cách thực hiện phân bổ tài nguyên thứ cấp khơng có nhiễu bằng cách sử
dụng màu biểu đồ để tối đa hóa việc sử dụng phổ.
1.5.3.3 Mạng vơ tuyến nhận thức
Khai thác vô tuyến nhận thức dựa trên cảm biến kênh được cấp phép phân tán
và đưa ra quyết định nhận biết nhiễu có thể được sử dụng trong các mạng di động hỗ
trợ D2D để giảm thiểu nhiễu. Trong [42] một kế hoạch quản lý nhiễu chéo hiệu quả để
tránh cả nhiễu từ CUE sang DUE và nhiễu từ DUE đến CUE trong một kịch bản trong
đó một DUE chia sẻ tài nguyên với một CUE được đề xuất. DUE có khả năng cảm
GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn

17

nhận phổ vô tuyến và đo mức nhiễu của CUE trong quá trình truyền UL và truyền các
giá trị này cho BS. Sau đó, BS sử dụng thơng tin này trong sơ đồ phân bổ tài nguyên
nhận biết nhiễu. Kết quả cho thấy hiệu suất cell tăng gấp ba lần.
Một thuật toán phân bổ tài nguyên dựa trên nhận thức tập trung giữa CUE và
nhiều DUE được trình bày trong [42] để giảm thiểu nhiễu xuyên cấp giữa CUE và
DUE. Trong giai đoạn đầu tiên, họ mở rộng thuật toán công bằng tối đa được đề xuất
để thực hiện phân bổ nguồn lực hợp lý cho các luồng di động UL và DL. Sau đó, trong
giai đoạn thứ hai, một cách tiếp cận phân bổ kênh con heuristic cho các luồng D2D đã
được tiến hành với bảo vệ tốc độ cho CUE.
1.6 Thách thức quản lý nhiễu trong mạng 5G hỗ trợ D2D
Có một số thách thức và vấn đề mở cần được xem xét trong D2D để nó trở
thành nhân tố hỗ trợ chính cho cơng nghệ 5G. Mặc dù đã có nhiều cơng việc được thực
hiện về quản lý nhiễu trong giao tiếp D2D dựa trên các mạng kế thừa trước đó
(WiMAX, LTE và LTE-A), quản lý nhiễu trong giao tiếp D2D trên mạng di động 5G
trong tương lai vẫn còn là một chủ đề lớn cho việc nghiên cứu.
1.6.1 D2D trong giao tiếp mmWave
Giao tiếp băng tần mmWave gần đây đã nhận được sự chú ý đáng kể vì là một
trong những tính năng thiết yếu của mạng di động 5G. Các mạng di động 5G trong
tương lai, dự kiến cơ sở hạ tầng sợi đồng truyền thống sẽ được thay thế bằng mạng
lưới mmWave để cho phép 5G cung cấp khả năng triển khai nhanh chóng và kết nối
giống như lưới. Giao tiếp mmWave hoạt động trên dải tần số lớn hơn (30 - 300 GHZ)
và do đó nó có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu cực cao (hàng Gbps) cho các thiết bị
di động, có thể cung cấp dung lượng mạng vượt trội. Tuy nhiên, giao tiếp băng
mmWave có một số đặc tính lan truyền chính khác với băng tần vi sóng và dẫn đến
những thách thức về mặt quản lý nhiễu. Hầu hết các công việc trước đây nhằm quản lý
nhiễu bằng cách tối ưu hóa các thuật tốn chia sẻ tài nguyên. Ngoài ra, dựa trên các
khảo sát gần đây, các nghiên cứu gần đây về quản lý nhiễu trong truyền thông D2D

xem xét sự nhiễu lẫn nhau của anten đa hướng.
1.6.2 Mật độ cell và giảm tải
Một công cụ đơn giản nhưng nổi bật để tăng dung lượng mạng trong mạng di
động 5G là mật độ mạng. Cách tiếp cận này nhằm tăng cường năng lực mạng đã được
chứng minh qua nhiều thế hệ di động. Nhìn chung, ý tưởng tăng cường mạng để tăng
cường hiệu suất cho thấy việc triển khai các cell phủ sóng nhỏ, ví dụ như picocells
GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


18

(phạm vi dưới 100m) và femtocells (phạm vi như WiFi) gần với thiết bị đầu cuối dẫn
đến điều kiện kênh thuận lợi hơn giữa máy phát và máy thu. Do đó, một lượng cơng
suất truyền giảm có thể được sử dụng và dẫn đến việc giảm nhiễu đối với các thành
phần mạng cùng tồn tại khác. Tuy nhiên, quản lý nhiễu là một trong những vấn đề khi
tích hợp cơng nghệ D2D và các cell nhỏ trong lớp underlay trong giao tiếp D2D.
Trong mạng không đồng nhất nhiều tầng này, các vấn đề về quản lý nhiễu và phân bổ
tài nguyên cho việc chia sẻ phổ khó khăn hơn so với các vấn đề hiện có được đề xuất
trong tài liệu cho các hệ thống một tầng truyền thống, bởi vì cơng suất truyền của mỗi
BS là khác nhau. Ngồi ra, các mức độ nhiễu trong các tầng khác nhau là khác nhau do
các hạn chế truy cập khác nhau (cơng khai, riêng tư, kết hợp, v.v.). Ngồi ra, để cải
thiện hiệu quả phổ, sự nhiễu giữa các liên kết macro-cell, liên kết small-cell và liên kết
D2D đều cần được xem xét và quản lý hiệu quả.
1.7 Kết luận
Giao tiếp D2D có thể cung cấp nhiều lợi ích cho các mạng di động. Truyền
thơng D2D có thể được xem là một mơ hình đầy hứa hẹn cho các mạng 5G thế hệ tiếp
theo. Luận văn này đã cung cấp kiến thức về các kỹ thuật quản lý nhiễu hiện có có thể
được sử dụng để giảm thiểu nhiễu trong các mạng di động với giao tiếp D2D. Tuy

nhiên, các nghiên cứu hiện tại cũng chỉ ra những vấn đề mới cần được giải quyết để
kết hợp truyền thông D2D trong các mạng 5G trong tương lai. Hạn chế chính của các
nghiên cứu hiện tại là không xem xét việc quản lý nhiễu đối với truyền thông D2D
trong các kịch bản 5G tiềm năng, chẳng hạn như mmWave và mật độ cell.

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


19

CHƯƠNG 2: QUẢN LÝ NHIỄU TRONG TRUYỀN THÔNG D2D
2.1. Giới thiệu
Truyền thơng di động ngày càng phát triển địi hỏi các yêu cầu cao hơn rất nhiều
về tỷ lệ truyền dẫn, hiệu suất phổ và hiệu năng mạng. Trong khi các nguồn tài nguyên
tần số vô tuyến là hữu hạn đã dẫn đến các nhu cầu nghiên cứu nhằm tìm ra những
cách tận dụng tối đa các nguồn tài nguyên kênh một cách hiệu quả nhất. Truyền thông
thiết bị - thiết bị (D2D) được coi là một trong những dịch vụ truyền thông trong tương
lai để khắc phục các vấn đề hiện tại như quá tải trạm gốc [17]. Nhờ việc cải thiện hiệu
suất phổ một cách đáng kể, truyền thông D2D được xem là một giải pháp đầy hứa hẹn
để giải quyết những vấn đề này.
Trong chương này, luận văn sẽ xem xét truyền thông D2D ở chế độ underlay
dưới sự kiểm sốt của trạm cơ sở. Truyền thơng D2D ở chế độ underlay của các mạng
di động có thể sử dụng các nguồn tần số được yêu cầu và truyền tải năng lượng, chia
sẻ tài nguyên tần số với các thiết bị người dùng di động (CUEs) và giúp cải thiện hiệu
suất phổ. Ngồi ra, truyền thơng D2D sẽ góp phần giảm tải cho mạng di động, tăng
thơng lượng hệ thống, giảm mức tiêu thụ điện năng cho thiết bị đầu cuối di động và
tăng tốc độ dữ liệu [18] [24].
Tuy nhiên, trong quá trình dùng chung tài nguyên giữa truyền thông D2D và

mạng di động sẽ gây ra nhiễu. Phân bổ các nguồn tài nguyên ngẫu nhiên và nhiễu giữa
truyền thông D2D và mạng di động cũng là ngẫu nhiên là một cách đơn giản để hạn
chế nhiễu. Một phương pháp đơn giản khác là BS sẽ phân bổ tài nguyên và sau đó,
các cặp D2D sử dụng chung nguồn tài nguyên với các CUEs cách xa mình. Phương
pháp này có thể làm cho nhiễu giữa truyền thơng D2D và mạng di động là nhỏ nhất có
thể [17].
Trong hệ thống tồn tại 2 loại nhiễu chính:
+ Trong đường xuống (Downlink): Nhiễu từ thiết bị người gửi sử dụng truyền
thông D2D (TUE - Transmitting User Equipment) tới các thiết bị người dùng di động
(CUEs - Cellular User Equipments) xung quanh nó. Ngồi ra, ta cũng xét đến nhiễu
gây ra bởi tín hiệu BS lên thiết bị người nhận của truyền thông D2D (RUE Receiving User Equipment).
+ Trong đường lên (Uplink): Nhiễu từ các thiết bị người dùng di động (CUEs)
xung quanh tới thiết bị người nhận sử dụng truyền thông D2D (RUE) và nhiễu từ TUE
gây ra tại BS.
GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


20

Ở biên tế bào, nhiễu giữa BS và người sử dụng truyền thơng D2D có thể được
coi là yếu.
Trong chương này, luận văn xem xét phương pháp quản lý nhiễu dựa trên khu
vực ngăn chặn nhiễu (ISA-Interference Suppression Area) được đề xuất để thực hiện
việc quản lý nhiễu giữa truyền thơng D2D và mạng di động [17]. Trước tiên, tồn bộ
diện tích vùng phủ có thể được chia thành hai phần theo độ mạnh của nhiễu. Phần
diện tích có nhiễu mạnh vào đường xuống và đường lên được định nghĩa là khu vực
ngăn chặn nhiễu-ISA. Sau đó, quản lý năng lượng và phân bổ nguồn tài nguyên được
áp dụng để giảm sự tác động của nhiễu. Ngồi ra, việc tính tốn bán kính của ISA

cũng được xem xét. Hiệu năng hệ thống tối ưu có thể đạt được bằng cách điều chỉnh
phạm vi của ISA. Tiếp theo, luận văn cũng đề cập một phương pháp quản lý nhiễu
khác để giảm nhiễu giữa truyền thông D2D và truyền thông di động thơng thường đó
là phương pháp dựa trên vùng hạn chế nhiễu (ILA- Interference Limited Area) [29].
2.2 Phương pháp quản lý nhiễu ISA cho truyền thơng D2D Underlay
2.2.1 Mơ hình hệ thống
Mơ hình hệ thống được sử dụng là một mạng di động với truyền thông D2D và
liên kết di động chia sẻ tài nguyên. Trong đó, có M CUEs và N cặp D2D được phân bố
một cách ngẫu nhiên. Trong đường xuống, BS truyền tín hiệu tới CUEs, TUE truyền
tín hiệu đến RUE. Trong đường lên, CUEs truyền tín hiệu tới BS, TUE vẫn truyền tín
hiệu đến RUE [17]. Khoảng cách tối đa giữa TUE và RUE được cho sẵn.
Hình 2.1 mơ tả mơ hình hệ thống của truyền thơng D2D trong phương pháp ISA
(khu vực ngăn chặn nhiễu).
Trong mô hình, BS phân bổ kênh tài nguyên và điều khiển truyền tải năng lượng
cho các liên kết di động và liên kết D2D. Ta giả định rằng các kênh là trực giao, và
nhiễu chỉ tồn tại trong kênh nội bộ do chia sẻ kênh của truyền thông D2D và truyền
thông di động. Tất cả các kênh tài nguyên bao gồm M kênh đường lên và M kênh
đường xuống của người dùng di động (CUE) đều được phép chia sẻ cho người dùng
D2D.

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


21

BS
CUEM

CUE1

TUEN
TUE1

RUE1

RUEN

Truyền dữ liệu
Nhiễu

Hình 2.1. Mơ hình hệ thống của truyền thơng D2D trong phương pháp ISA.
Trong đó:
BS: Trạm cơ sở.
CUEk: Thiết bị người sử dụng di động thứ k
TUEl: Thiết bị người gửi của cặp truyền thông D2D thứ l
RUEl: Thiết bị người nhận của cặp truyền thông D2D thứ l.
Hệ thống được khảo sát trên kênh chịu ảnh hưởng của suy hao trong không gian
tự do và kênh pha đinh Rayleigh. Bên cạnh đó, mơ hình suy hao đường truyền phụ
thuộc vào khoảng cách được sử dụng để đo sự mất mát năng lượng của việc truyền tín
hiệu.
2.2.2 Các cơng thức tính tốn
Truyền thơng D2D bên cạnh sự phụ thuộc vào khoảng cách, mơ hình suy hao
đường truyền cũng được xem xét để tính tốn sự mất mát năng lượng truyền dẫn. Độ
lợi kênh bao gồm suy hao đường truyền và pha đinh được mô tả trong công thức dưới
đây [17].
GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn

22

𝐺𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘 (𝑅𝑈𝐸𝑘𝑙)= 𝑃𝐿𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘(𝑅𝑈𝐸𝑙) ℎ𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘 (𝑅𝑈𝐸𝑘𝑙)
(2.1)

𝐺𝑈𝐸𝑘 ,𝐵𝑆(𝑅𝑈𝐸𝑙)= 𝑃𝐿𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆(𝑅𝑈𝐸𝑙 ) ℎ𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆(𝑅𝑈𝐸𝑙 )
𝐺𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈𝐸𝑙 (𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘)= 𝑃𝐿 𝑇𝑈𝐸,𝑅𝑈𝐸(𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘) ℎ 𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,(𝑅𝑈𝐸𝑙(𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘)
Trong đó:

𝐺𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘 (𝑅𝑈𝐸𝑘𝑙 ) : độ lợi kênh (gain) từ BS tới CUE thứ k (hoặc RUE thứ l ) trên
kênh tài nguyên thứ k.
𝐺𝑈𝐸𝑘 ,𝐵𝑆(𝑅𝑈𝐸𝑙) : độ lợi kênh từ CUE thứ k tới BS (hoặc RUE thứ l).
𝐺𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈𝐸𝑙(𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘 ) : độ lợi kênh từ TUE thứ l tới RUE thứ l (hoặc BS, CUE thứ
k) trên kênh tài nguyên thứ k.
ℎ𝑖𝑗 : là hệ số kênh pha đinh.
𝑃𝐿𝑖𝑗 : là suy hao đường truyền từ i đến j .
l: số cặp D2D, chạy từ 1 đến N
Theo cơng thức tính suy hao đường truyền trong khơng gian tự do Friis, ta có:
P
  
PLij ( dB ) = 10log10  t  = −10log10 

 4 d 
 Pr 

2

(2.2)

Trong đó:
Pt: là cơng suất phát của thiết bị phát.
Pr: là công suất thu được tại thiết bị thu.
d: là khoảng cách từ i đến j.
𝜆: là độ dài bước sóng.
➢ Trong đường xuống (Downlink), BS truyền tín hiệu tới CUEs, TUE truyền tín
hiệu tới RUE. RUE bị gây nhiễu bởi BS và các CUE bị gây nhiễu bởi TUE.
Giả sử mảng rd( M, N) biểu diễn trạng thái chia sẻ kênh tài nguyên giữa các cặp
D2D và các liên kết di động ở đường xuống, rd(k,l) = 1 nghĩa là cặp D2D thứ l chia
sẻ cùng tài nguyên với liên kết di động thứ k và rd(k,l) = 0 nghĩa là chúng không chia
sẻ cùng kênh tài nguyên. Ở đây giả thiết các cặp truyền thông D2D sử dụng tài
nguyên phổ tần số khác nhau.
SINR của CUE thứ k được tính như sau:
𝐷𝐿
𝑆𝐼𝑁𝑅𝑈𝐸
=
𝑘

𝑃𝐵𝑆 𝐺𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘
𝑀
2
∑𝑁
𝑙=1 ∑𝑘=1 𝑟𝑑 (𝑘, 𝑙 )𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 𝐺𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 ,𝑈𝐸𝑘 + 𝜎

Trong đó:
𝑃𝐵𝑆 : là công suất phát của BS.

(2.3)

23

𝐺𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘 : là độ lợi kênh từ BS tới CUE thứ k trên kênh tài nguyên thứ k.
𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 : là công suất phát của TUE thứ l.
𝜎 2 : là công suất tạp âm Gaussian.
Từ công thức (2.2) và (2.3) ta có:
𝑃𝐵𝑆

𝐷𝐿
𝑆𝐼𝑁𝑅𝑈𝐸
𝑘

𝑃𝐵𝑆

(2.4)

ℎ
𝑃𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘 𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘
= 𝑁
2
∑𝑙=1 ∑𝑀
𝑘=1 𝑟𝑑 (𝑘, 𝑙 )𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 𝐺𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 ,𝑈𝐸𝑘 + 𝜎

Xem xét việc phân bổ tài nguyên, SINR của RUE trong kênh tài nguyên thứ k
được đưa ra trong công thức (2.4).

𝐷𝐿
𝑆𝐼𝑁𝑅𝑅𝑈𝐸
,𝑘𝑙

= 𝑟𝑑 (𝑘 )

∑ 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙

𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙

ℎ
𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈𝐸𝑙 𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈𝐸𝑙
∑ 𝑃𝐵𝑆 𝐺𝐵𝑆,𝑅𝑈𝐸𝑘𝑙 + 𝜎 2

(2.5)

Trong đó:
𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 : là cơng suất phát của TUE thứ l.
𝑃𝐵𝑆 : là công suất phát của BS.
𝑃𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘 : là công suất thu của CUE thứ k.
𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈𝐸𝑙 : là công suất thu của TUE thứ k.
➢ Trong đường lên, CUEs truyền tín hiệu tới BS và TUE truyền tín hiệu tới
RUE. Theo đó, RUE bị gây nhiễu bởi CUEs và BS bị gây nhiễu bởi TUE.
Mảng ru(M,N) biểu diễn trạng thái chia sẻ kênh tài nguyên giữa các cặp D2D và
liên kết di động, ru(k,l) = 1 nghĩa là cặp D2D thứ l chia sẻ cùng tài nguyên với liên
kết di động thứ k và ru(k,l) = 0 nghĩa là chúng không chia sẻ cùng tài nguyên.
SINR của BS được cho trong công thức (2.5):

𝑈𝐿
𝑆𝐼𝑁𝑅𝐵𝑆
=

∑𝑀

𝑘=1 𝑃𝑈𝐸𝑘

𝑃𝑈𝐸𝑘
ℎ
𝑃𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆 𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆

𝑀
∑𝑁
𝑙=1 ∑𝑘=1(𝑟𝑢 (𝑘, 𝑙 )𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 𝐺𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙, 𝐵𝑆 )

(2.6)
+

𝜎2

Trong đó:
𝑃𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆 : là công suất thu của BS.
𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 : là công suất phát của TUE thứ l tới BS trong kênh tài nguyên thứ k.
SINR của RUE thứ l trong kênh tài nguyên thứ k được cho bởi công thức:

𝑈𝐿
𝑆𝐼𝑁𝑅𝑅𝑈𝐸
,𝑘𝑙

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙

𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙

ℎ
𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈E𝑙 𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈E𝑙
=
𝑟𝑢(𝑘, 𝑙)𝑃𝑈𝐸𝑘 𝐺𝑈𝐸𝑘,𝑅𝑈𝐸𝑘𝑙 + 𝜎 2

(2.7)

HVTH: Hà Thế Luôn


24

Khi đó, dung lượng của hệ thống được tính bởi công thức:
𝐶 = 𝐶𝑈𝐿 + 𝐶𝐷𝐿
𝑁
𝐷𝐿
𝐷𝐿
𝐶𝐷𝐿 = ∑𝑀
𝑘=1 log 2 (1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑈𝐸𝑘 ) + ∑𝑙=1 log 2 (1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑅𝑈𝐸,𝑘𝑙 )

(2.8)

𝑈𝐿
𝑀
𝑈𝐿
𝐶𝑈𝐿 = log 2 (1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅𝐵𝑆
) + ∑𝑁
𝑙=1 ∑𝑘=1 log 2 (1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑅𝑈𝐸,𝑘𝑙 )

Trong đó:

𝐶𝐷𝐿 : là dung lượng hệ thống trong đường xuống (Downlink).
𝐶𝑈𝐿 : là dung lượng hệ thống trong đường lên (Uplink).
Do đó, mục tiêu của quản lý nhiễu là tìm mảng rd(M,N) và ru(M,N) để tối đa hóa
dung lượng của hệ thống.
2.2.3 Xây dựng khu vực ngăn chặn nhiễu (ISA)
Đặc điểm của truyền thông D2D là khoảng cách truyền ngắn và công suất phát
thấp. Do đó, nhiễu tạo ra bởi truyền thơng D2D là khá hạn chế. Nếu thiết lập quản lý
tài nguyên được xử lý ở khu vực có nhiễu nghiêm trọng, phân bổ nguồn tài nguyên
trực giao cho cặp D2D và CUEs bị nhiễu, nhiễu từ truyền thông D2D sang mạng di
động sẽ giảm [17].
Do đó, khu vực ngăn chặn nhiễu ISA được định nghĩa cho cặp D2D để chỉ ra
khu vực có nhiễu nghiêm trọng. CUEs và các cặp D2D trong cùng ISA sẽ gây nhiễu
nghiêm trọng cho nhau, và yêu cầu các nguồn tài nguyên trực giao.
Trong đường xuống, năng lượng nhiễu nhận được tại CUE thứ k là [5]:
𝜂𝑈𝐸𝑘 (𝑑 𝑇𝑈𝐸𝑙,𝑈𝐸𝑘 ) = {

𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑈𝐸𝑘 . (

𝜆
4𝜋𝑑 𝑇𝑈𝐸𝑙,𝑈𝐸𝑘

0

)𝛼

𝑑 𝑇𝑈𝐸,𝑈𝐸𝑘 > 𝑅𝐷𝐿
𝑑 𝑇𝑈𝐸,𝑈𝐸𝑘 ≤ 𝑅𝐷𝐿

(2.9)

Trong đó:
𝑑 𝑇𝑈𝐸𝑙,𝑈𝐸𝑘 : là khoảng cách giữa TUE thứ l và CUE thứ k.
𝛼: là hệ số suy hao đường truyền.
𝜆: độ dài bước sóng của tần số phát.
𝑅𝐷𝐿 : là bán kính của ISA trong đường xuống (𝐼𝑆𝐴𝐷𝐿 ).
𝑃𝐷𝐿 : là mức năng lượng ngưỡng được xác định trước của tín hiệu nhận từ cặp
D2D đến CUEs.
Khi đó, khoảng cách tối thiểu giữa TUE và CUE để nhiễu gây ra bởi TUE đến
CUE có thể chấp nhận được là 𝑅𝐷𝐿 , 𝑅𝐷𝐿 được tính bằng công thức:

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn


25

𝑅𝐷𝐿 =

𝜆
1
𝑃
4𝜋( 𝐷𝐿 )𝛼
𝑃𝑇𝑈𝐸
𝑙

(2.10)

Tương tự, bán kính của ISA trong đường lên ( ISAUL ) RUL được tính bằng cơng
thức sau [5]:

𝑅𝑈𝐿 =

𝜆
1
𝑃
4𝜋( 𝑈𝐿 )𝛼
𝑃𝑈𝐸
𝑘

(2.11)

Trong đó, PUL là mức năng lượng ngưỡng được xác định trước của tín hiệu nhận
từ CUE tới RUE.
Số lượng kênh tài nguyên có thể được sử dụng cho truyền thơng D2D phụ thuộc
vào bán kính của ISA. Vì RDL và RUL lần lượt phụ thuộc vào PDL , PTUE và PUL , PUE

k

cho nên BS có thể điều chỉnh bán kính của ISA bằng cách thiết lập các thơng số liên
quan.
Hình 2.2 minh họa khu vực ngăn chặn nhiễu.

Khu vực
ngăn chặn nhiễu
CUE
CUE
TUE

RDL

RDL

TUE

RUL

RUL
RUE

RUE
TUE

Hình 2.2. Khu vực ngăn chặn nhiễu
Các người dùng di động CUE nằm trong khu vực ngăn chặn nhiễu (biểu diễn bởi
hai hình trịn màu xanh như trong hình vẽ) sẽ khơng được phân bổ tài nguyên cho cặp
truyền thông D2D.
2.2.4 Điều khiển công suất
Trong mơ hình hệ thống được đề cập trên Hình 2.1, CUEs và cặp D2D cùng tồn
tại trong hệ thống và cùng chia sẻ kênh tài nguyên [17]. Để đảm bảo truyền thông
D2D, công suất phát của TUE ( PTUE ) nên được kiểm soát càng nhiều càng tốt. Mặt

GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai

HVTH: Hà Thế Luôn