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

e


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
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH:
MÃ SỐ:

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

e


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

e


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

e


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

e


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

e


v

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Viết tắt
3GPP

Tiếng Anh

Tiếng Việt

The Third Generation Partnership

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

e

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

e


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

e


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

e


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

e


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.

e


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

e


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

e


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

e


6

nối, đa nền tảng với sự kết hợp của 5G, 4G và Wi-Fi sẽ tạo điều kiện cho việc chuyển
đổi và triển khai 5G dễ dàng hơn. Hơn thế nữa, 5G với một mạng lõi thống nhất cũng
có khả năng hỗ trợ truy cập từ 4G và Wi-Fi. Điều này chắc chắn rằng sự đầu tư của các
nhà cung cấp mạng viễn thông trong hiện tại và tương lai sẽ được đảm bảo. Tồn bộ hệ
sinh thái cơng nghiệp di động đang tập trung tồn lực, góp sức cùng nhau từ nhiều khía
cạnh, để sáng tạo ra thế hệ tiếp theo của trải nghiệm di động.

1.1.2. Cấu trúc và đặc điểm cơ bản của 5G

Hình 1.2: Kiến trúc chung cho mạng viễn thông 5G.

Mạng di động 5G được phát triển để đáp ứng nhu cầu người dùng ngày càng cao
như: tốc độ truyền dữ liệu cao, hiệu suất sử dụng tốt, người dùng nhiều, năng lượng tiêu
thụ và chi phí thấp là nền tảng cho cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4. Mạng 5G
hoạt động là sự kết hợp giữa tần số thấp và mạng tần số cao. Cấu trúc của mạng 5G gồm
nhiều tầng khác nhau, vì vậy khơng gian mạng dữ liệu và độ phủ sóng sẽ rộng hơn nhờ
các trạm con trung gian ở giữa (femtocells). Với mơ hình và cấu trúc đó thì ở các tầng
trên sẽ sử dụng dãi phổ tần cao hơn, tốc độ truyền tín hiệu mạnh và lớn hơn, càng về
gần đến người dùng thì phổ tần sẽ giảm xuống. Với cấu trúc như vậy và sự kết hợp sử
dụng nhiều dải tần với nhau trong mạng sẽ đảm bảo được kết nối và đáp ứng nhu cầu

e


7

ngày càng cao của người dùng. Mạng di động 5G được phát triển nhằm tăng cường tốc
độ truyền dữ liệu và sử dụng hiệu quả tài nguyên. Do đó, mạng di động 5G được phát
triển theo cấu trúc với những tính năng chính sau đây:
- Tốc độ dữ liệu và độ trễ: Mạng di động 5G cho phép truyền dữ liệu với tốc độ
cao, lên đến vài Gbp/s và độ trễ chỉ khoảng 2 đến 5 mili giây.
- Thiết bị kiểu máy giao tiếp đa thiết bị: Khác với các mạng di động trước đây,
mạng di động 5G cho phép kết nối nhiều thiết bị cùng lúc và có thể chia sẻ những dữ
liệu trùng nhau từ các thiết bị như là điện thoại thông minh, thiết bị gia dụng, tivi, xe
ôtô, thiết bị cảm ứng...
- Phổ tần 5G: Sự gia tăng nhu cầu kết nối của các thiết bị đòi hỏi lưu lượng, số
lượng phổ tần cho hệ thống 5G cũng tăng lên. Các băng tần cao thuộc bước sóng xăngti-mét (cmWave) và milimét (mmWave) là các băng tần tiềm năng vì chúng có khả năng
cung cấp kênh có độ rộng lớn, do đó, cung cấp được tốc độ dữ liệu cao. Cho phép truyền
tải rộng hơn băng thông thông thường 20MHz của mạng 4G.
- Kết hợp nhiều công nghệ: Mạng 5G không phải là thay đổi công nghệ mới, mà
nó hỗ trợ và phát triển thêm nhiều cơng nghệ mới. Nó kết hợp nhiều hệ thống như GSM,

HSPA (Phương thức kết nối gói tốc độ cao), LTE và các hệ thống hỗ trợ truy cập với
hiệu suất cao hơn.
- Mạng di động 5G hoạt động gồm nhiều tầng gồm các trạm phát sóng gốc/nền
(macrocell), các trạm trung gian (femtocells) và các kết nối từ thiết bị đến thiết bị. Việc
chia thành nhiều tầng sẽ đảm bảo hiệu suất, công suất mạng sẽ tốt hơn, đồng thời giúp
làm giảm độ nhiễu khi truyền dữ liệu.
- Hỗ trợ tối đa khai thác dữ liệu: Trong quá trình khai thác, mỗi thiết bị truy cập
có các yêu cầu khác nhau về tốc độ, độ trễ, nội dung truy cập, tuy nhiên trong mạng 5G,
vấn đề này sẽ được giải quyết linh hoạt và thơng minh bởi vì các tầng có thể hỗ trợ nhau
để chuyển tải đến người dùng cuối nội dung tốt nhất. Dữ liệu có thể là từ macrocell hoặc
từ femtocell hoặc từ người dùng cuối.

e


8

- Hiệu suất và hiệu quả hơn khi sử dụng tài nguyên: Một trong những thách thức
chính của 5G là nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của các thiết bị kết nối mạng.
Làm sao để kéo dài tuổi thọ cũng như thời gian dùng pin, cải thiện hiệu quả năng lượng
và khai thác mạng với năng lượng tiêu thụ ít nhất. Ngồi ra, năng lượng có thể được hấp
thu từ mơi trường xung quanh (sóng, năng lượng vơ tuyến) ở khoảng cách nhỏ. Hấp thu
năng lượng có thể sử dụng cho các thiết bị hoặc giao tiếp trong một tế bào nhỏ của mạng.
Do đó, khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng có thể được thực hiện thông qua việc hấp
thu năng lượng từ xung quanh, cụ thể là trực tiếp từ các trạm phát sóng gốc/nền
(macrocell).

1.1.3. Thuận lợi và thác thức trong mạng di động 5G
Với 5G, chúng ta có thể tải một bộ phim chỉ trong vòng vài giây. Theo lý thuyết,
tốc độ trong mạng 5G có thể đạt đến 20Gbp/s, thậm chí cao hơn, ngay cả ở vùng biên

phủ sóng, tốc độ vẫn có thể đạt từ 1 đến vài trăm Mbps.
Ngoài tốc độ và băng thơng cao hơn, dự kiến 5G cũng có nhiều tính năng giao
tiếp tốt hơn giữa các thiết bị. Ví dụ, một ngơi nhà thơng minh trang bị cơng nghệ 5G có
thể giao tiếp với các cảm biến để cập nhật trạng thái tức thời mà không cần đến băng
thơng cực lớn hoặc để nhận tín hiệu từ khoảng cách xa, điều mà nhà thông minh cần là
thời gian đáp ứng phải nhanh. Các thiết bị hỗ trợ 5G có khả năng chọn đúng tần số thích
hợp để gửi tín hiệu, dựa trên loại dữ liệu đang được gửi đi. Mạng 5G được xem là chìa
khóa để chúng ta đi vào thế giới vạn vật kết nối Internet of Things. Hàng trăm tỷ bộ cảm
biến sẽ được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, hệ thống theo dõi sức
khỏe, khóa cửa, xe hơi và thiết bị đeo…
Trong quá trình quản lý và sử dụng sẽ có những thách thức cho mạng 5G do sự
tác động của nhiều vấn đề về vật lý cũng như q trình sử dụng dữ liệu của người dùng.
Ví dụ như:
- Sự kết nối dày đặc, số lượng kết nối nhiều của các thiết bị di động.
- Phạm vi truy cập và lưu lượng truy cập khác nhau tại các vị trí khác nhau, điều
đó có thể làm mất cân bằng hiệu suất và quyền hạn truy cập của các thiết bị.

e


9

- Những giới hạn truy cập riêng hoặc chung các tầng khác nhau sẽ tạo ra nhiều
mức nhiễu giao thoa khác nhau.
- Vấn đề ưu tiên truy cập các kênh ở tần số khác nhau và ưu tiên trong các chiến
lược phân bổ tài nguyên. Sự giao tiếp giữa các D2D có thể ảnh hưởng nhau, làm nhiều
và gián đoạn q trình truy cập.
Để khắc phục các thách thức đó, mạng 5G phải thiết kế và xây dựng đảm bảo các yếu
tố sau:
- Thiết kế tối ưu hóa các hệ thống mạng di động đa tầng: Đồng bộ và tối ưu hóa

các mạng di động, thiết kế theo mơ hình đa tầng để hỗ trợ lẫn nhau và truyền tải dữ liệu
đến người dùng tốt nhất. Tăng cường sử dụng các thiết bị mới, sử dụng năng lượng ít và
độ bền cao. Các thiết bị mới phải tối ưu trong mỗi điểm mạng để đảm bảo quá trình khai
thác và sử dụng không bị tắc nghẽn, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Quá trình sử dụng
cũng phải tối ưu đảm bảo phân bổ tài nguyên hợp lý để cung cấp cho các thiết bị di
động, trong lúc đó có cơ chế kiểm soát các tầng cũng phải đảm bảo tối ưu nhất.
- Thiết kế các phương pháp hiệu quả để hỗ trợ đồng thời nhiều thiết bị kết nối:
Mạng 5G đa tầng sẽ tăng thông lượng hệ thống và giảm tỷ lệ hao hụt, tăng hiệu quả tài
nguyên cho những người sử dụng gần nhau. Vì vậy, cần thiết kế các thiết bị mới sử dụng
công nghệ hiện đại, đảm bảo tiêu thụ ít năng lượng và cho phép kết nối một lúc nhiều
thiết bị với nhau.
- Thiết kế các phương pháp hợp tác hiệu quả trong các tầng: Hợp tác hiệu quả
giữa các tầng khác nhau sẽ đảm bảo sự linh hoạt trong quá trình truyền dữ liệu, làm giảm
thiểu: sự can thiệp nhau trong mạng 5G. Hợp tác giữa các macrocell và các tầng nhỏ
dưới femtocells đảm bảo mang được mềm dẻo và liên thông hơn. Một thiết bị có thể
đồng thời tải dữ liệu ở các macrocell và ở các tầng femtocell khác gần đó. Điều này có
thể phát triển để giảm thiểu sự can thiệp hoặc sử dụng quá tải trong mạng. Tuy nhiên,
cần phải tích hợp chặt chẽ giữa các nút mạng thành một hệ thống sử dụng đáng tin cậy,
nhanh chóng và ít độ trễ.
- Quản lý giao thoa trong mạng đa tầng 5G cho các người dùng khác nhau ở các
tần số khác nhau trong những khoảng thời gian khác nhau làm sao đảm bảo được sự linh
hoạt, không trùng lặp dữ liệu và quá tải tại một điểm nào đó (tại các femtocell hoặc

e


10

người dùng cuối). Các thiết kế phải vượt qua những hạn chế này để trở thành một mạng
tối ưu nhất có thể. Các thách thức trong việc xây dựng và quản lý trong mạng 5G sẽ

được xử lý để có được một mạng rộng lớn, hiệu quả và nhiều tính năng. Đây là mạng
gồm nhiều tầng được đặc trưng bởi các macrocell, femtocell và người dùng cuối ưu tiên
cho nhiều người sử dụng kết nối hiệu quả theo tầng dọc với khả năng truyền và tải dữ
liệu đồng bộ trong cùng một thời gian. Để nhiều địa chỉ cùng kết nối truy cập các tài
nguyên khác nhau, thì các tế bào trong mạng cùng nhau hỗ trợ để dữ liệu luôn thông
suốt và không bị trễ.

1.2. Khái niệm chung về mạng mật độ siêu cao UDN
Kể từ khi bắt đầu phát triển ngành công nghiệp di động, phân tách và mật độ tế
bào đã là một trong những phương tiện hiệu quả nhất để cung cấp dung lượng ngày càng
tăng và cải thiện trải nghiệm người dùng. Trong những năm gần đây, sự phát triển theo
cấp số nhân và tính sẵn có của dữ liệu dưới mọi hình thức là động lực chính cho sự phát
triển khơng ngừng trong ngành truyền thông. Sự phổ biến của các ứng dụng sử dụng
nhiều lưu lượng truy cập bao gồm video độ nét cao, trực quan hóa 3D, thực tế tăng
cường, thiết bị đeo được và điện toán đám mây xác định kỷ nguyên mới của truyền
thông di động. Lượng truy cập khổng lồ được tạo ra bởi khách hàng ngày nay đòi hỏi
một sự thay đổi mơ hình trong tất cả các khía cạnh của mạng di động. Mạng Ultra Dense
Network (UDN) là một trong những ý tưởng hàng đầu trong cuộc đua này. UDN đã nổi
lên như một giải pháp nổi bật để đáp ứng những thách thức trong việc đáp ứng các yêu
cầu về mật độ dung lượng cực cao của IMT-2020 (5G) lên đến 10 Mbps/𝑚2 . Về mặt
định tính, UDN là mạng có mật độ tài ngun vơ tuyến cao hơn nhiều so với các mạng
hiện tại, tức là mạng tế bào nhỏ dày đặc hơn nhiều về mật độ tương đối hoặc mật độ
tuyệt đối của các BS. Về mặt định lượng, định nghĩa về UDN khác nhau giữa các tài
liệu. Trong [2-5], UDN được định nghĩa là mạng mà mật độ BS (hoặc AP) có khả năng
đạt đến hoặc thậm chí vượt quá mật độ người dùng, điều này phù hợp để mơ tả tình
huống khi lưu lượng truy cập trên mỗi người dùng tăng lên trong khi số lượng người
dùng không thay đổi. Trong [6], UDN được đặc trưng như một mạng mà khoảng cách
giữa các điểm chỉ là vài mét. Trong [7], UDN được xác định là một mạng đạt đến điểm

e

11

mà dung lượng của nó tăng lên dưới tuyến tính, do tác động ngày càng tăng của nhiễu,
khi mật độ BS tăng lên.

Hình 1.3: Cơng nghệ và kiến trúc mạng siêu dày đặc dành cho 5G.

Mạng di động truyền
Tiêu chí

UDN
thống

Kịch bản triển khai

Trong nhà, Điểm phát sóng

Vùng phủ rộng

Mật độ AP

Hơn 1000 trạm/𝑘𝑚2

3~5 trạm/𝑘𝑚2

Vùng phủ của AP

Khoảng 10m

Vài trăm mét hoặc hơn

Small cell, Pico cell, Femtocell,
Loại AP

Macro cell
UE relay, Relay
Lý tưởng/Khơng lý tưởng

Lý tưởng

Có dây/Khơng dây

Có dây

Siêu cao

Trung bình

Mạng lõi AP

Mật độ người dùng

e


12

Tính di động của

Thấp

Cao

Mật độ lưu lượng

Cao

Trung bình

Phân bổ

Khơng đồng nhất, không đều

Một lớp, đồng đều

Băng thông

Hàng trăm MHz

Hàng chục MHz

Phổ tần

> 3 GHz cho tới mmWave

< 3 GHz

người dùng

Bảng 1.1: So sánh mạng UDN và mạng di động truyền thống.
Các mạng siêu dày đặc sẽ phát sinh không chỉ từ cơ sở người dùng mở rộng và
các liên kết ngắn hơn, mà còn từ cấu trúc liên kết phong phú, bao gồm các công nghệ
khác nhau và hoạt động trong các dải phổ khác nhau. Mục đích của họ là cung cấp thêm
dung lượng thông qua việc giảm tải khi cần thiết, chẳng hạn như trong các sự kiện thể
thao lớn (trên cơ sở cần thiết, vì thời lượng tương đối ngắn), ở những nơi cơng cộng có
nhiều người sử dụng như sân bay, khuôn viên trường đại học, hoặc trung tâm mua sắm,
hoặc trong nhà, nơi mà sự mất hấp thụ do các bức tường có thể làm giảm đáng kể biên
độ liên kết và do đó, thơng lượng. Với sự ra đời của các mạng siêu dày đặc kết hợp với
vai trò giảm dần của macrocell kế thừa, các thiết bị cầm tay ở gần nhau có thể giao tiếp
trực tiếp thông qua các liên kết thiết bị với thiết bị. Nhiều lợi thế mở rộng từ việc giảm
phát xạ và nhiễu điện, đến phát sóng nhóm và kết nối mạng lưới, đến bảo mật nâng cao
được cung cấp do khơng có định tuyến mạng trung gian. Tuy nhiên, các mạng siêu dày
đặc đặt ra những thách thức riêng mà chúng phải giải quyết để giúp chúng đạt được mức
tăng gấp 1000 lần dung lượng cần thiết cho mạng 5G. Những thách thức sẽ được đề cập
ở phần sau của luận văn.

1.3. Thách thức và định hướng kỹ thuật trong UDN
Được thúc đẩy bởi sự phổ biến của các thiết bị thông minh, không dây lưu lượng
truy cập đã tăng trưởng theo cấp số nhân trong những năm gần đây. Các lưu lượng truy
cập không dây tăng cao rất có thể sẽ tiếp tục do các ứng dụng chứa dữ liệu như video
độ nét cao và ảo thực tế. Do đó, 5G đặt ra mục tiêu tăng tổng dung lượng của mạng 4G

e


13

hiện tại gấp 1000 lần để đáp ứng nhu cầu giao tiếp dữ liệu không dây. Do cao chia tách
độ lợi bởi các ô nhỏ dày đặc, mạng siêu dày đặc (UDN) được coi là một thành phần

quan trọng trong việc đạt được mục tiêu này. Phần này đề cập, phác thảo những thách
thức chính với mật độ dày đặc triển khai, bao gồm sự giao thoa, tính di động, tiêu thụ
điện năng và backhaul.
Mối quan hệ giữa mật độ tế bào và dung lượng hệ thống không tỷ lệ thuận vì mật
độ dày đặc mang lại một số thách thức, bao gồm can thiệp, tính di động, backhaul và
tiêu thụ năng lượng. Với các TP dày đặc hơn, phạm vi phủ sóng của các TP lân cận có
nhiều khả năng chồng chéo hơn, dẫn đến nhiễu liên ô đáng kể và suy giảm SINR ở các
cạnh ô. Người dùng di động có thể gặp phải tình trạng chuyển giao thường xun vì
phạm vi phủ sóng của ơ nhỏ hơn, phải chịu chi phí truyền tín hiệu cao và tốc độ dữ liệu
dao động mạnh. Vì một số lượng lớn các cell nhỏ được triển khai, nên chiến lược triển
khai và cung cấp backhaul cần phải linh hoạt và tiết kiệm chi phí để làm cho UDN hiệu
quả về mặt kinh tế. Tiêu thụ năng lượng cũng là một yếu tố quan trọng, trong bối cảnh
trái đất nóng lên và hóa đơn năng lượng tăng vọt của các nhà khai thác.
Trong trường hợp lý tưởng, công suất nên chia tỷ lệ tuyến tính với mật độ TP.
Nhưng các vấn đề bao gồm nhiễu và tính di động có thể cản trở nghiêm trọng việc đạt
được mật độ dày đặc. Hơn nữa, các khía cạnh liên quan đến triển khai và bảo trì thực tế,
chẳng hạn như sửa chữa, bảo dưỡng và cung cấp năng lượng, cũng rất quan trọng đối
với tính khả thi của UDN. Trong phần này, các thách thức của UDN được nêu ra xem
xét.

1.3.1. Sự giao thoa
Là một vấn đề lâu năm mà các thế hệ di động phải đối mặt hệ thống thông tin
liên lạc, can thiệp nghiêm trọng trong LTE kể từ khi các ô liền kề sử dụng lại cùng một
tài nguyên tần số. Để đối phó với sự giao thoa giữa các ơ macro, tĩnh và bán tĩnh các
phương thức được đề xuất trong Release 8. Phương thức tĩnh bao gồm ô lập kế hoạch
và tái sử dụng một phần tần số (PFR). Đối với bán tĩnh các phương pháp, Evolved Node
B (eNB) trao đổi thông tin để can thiệp điều phối thông qua giao diện X2 với khoảng
thời gian từ 20ms đến 200ms [8].

e

14

Trong LTE Release 10, đề xuất mạng HetNet triển khai các small cell trong vùng
phủ sóng của ơ macro và sử dụng mở rộng phạm vi ô (CRE) để giảm tải lưu lượng macro
đến small cell. Do phạm vi phủ sóng chồng chéo, kịch bản nhiễu trong HetNet phức tạp
hơn trong mạng macro đồng nhất và vấn đề thậm chí cịn nghiêm trọng hơn ở rìa vùng
phủ sóng của small cell. Trong Release 10, thời gian miền eICIC có thể tắt tiếng các
khung con nhất định của ô macro để tránh nhiễu tín hiệu điều khiển chung và tín hiệu
nhỏ tế bào. Với sự hiện diện của nhiều ô lân cận hơn, nhiễu do truyền tín hiệu thơng
thường sẽ là có ý nghĩa. Do đó, trong Release 12 sử dụng tính năng bật / tắt ơ động để
tắt các ơ khơng hoạt động, điều này có thể giảm nhiễu và giảm tiêu thụ điện năng của
mạng [9]. Nhưng các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất của bật / tắt ô phụ thuộc nhiều
vào tốc độ ô có thể được kích hoạt hoặc khử kích hoạt.

Hình 1.4: Mất hiệu quả phổ so với mật độ tế bào.
Với các tế bào dày đặc hơn, điều kiện giao thoa thậm chí cịn phức tạp hơn trong
UDN so với LTE HetNet. Khi khoảng cách giữa các BS trở thành nhỏ hơn, nhiều ô lân
cận hơn có thể gây ra sự giao thoa. Có thể nhận thấy rằng trong UDN, một ơ thường có
hai hoặc nhiều yếu tố gây nhiễu vượt trội hơn trong khi chỉ có một nhiễu được quan sát
đối với mạng macro. Điều này có nghĩa là phối hợp với nhiều ô hơn liên quan trên mạng

e


15

là cần thiết. UDN sẽ là một HetNet bao gồm các ô macro và nhiều loại ô nhỏ khác nhau.
Do mật độ tế bào tăng lên và công suất phát rất đa dạng, phạm vi phủ sóng của các tế

bào nhiều hơn có khả năng chồng chéo, dẫn đến tỷ lệ phần trăm cạnh ơ lớn các khu vực
có tỷ lệ thấp. Vì một ơ chỉ phục vụ một số người dùng và tỷ lệ sẽ cao do khoảng cách
ngắn, những biến động về di động và sự can thiệp được dự kiến với đến và đi đột ngột
của người dùng. Do đó can thiệp sự phối hợp cần phải có thời gian chi tiết hơn trong đó
phối hợp bán tĩnh trong LTE có thể khơng cịn đủ. Vì giao diện X2 có độ trễ điển hình
là 20 ms, quy trình giao tiếp liên ơ mới là cần thiết để hỗ trợ điều phối nhanh chóng và
phát tín hiệu qua mạng sẽ là một phương pháp đầy hứa hẹn. Hình 1.3 vẽ biểu đồ mối
quan hệ giữa hiệu quả và mật độ phổ của tế bào theo các chiến lược điều phối nhiễu
LTE. Sự suy giảm đáng kể về hiệu suất phổ cho thấy cần có các sơ đồ phối hợp giao
thoa sáng tạo trong UDN.

1.3.2. Tính di động
Tính di động thường được xử lý bằng cách chuyển giao trong các hệ thống thông
tin di động. Được thiết kế ban đầu cho các ơ macro có phạm vi phủ sóng lớn trong LTE,
việc chuyển giao dự kiến sẽ không xảy ra quá thường xuyên. Vì vậy, một thủ tục phức
tạp với chi phí tín hiệu lớn được thơng qua. Hơn nữa, cơ chế chuyển giao cứng có nghĩa
là kết nối đến ơ nguồn được giải phóng trước khi được kết nối với ơ đích. Các gián đoạn
trong q trình truyền có thể kích hoạt kiểm sốt tắc nghẽn quy trình của TCP, dẫn đến
biến động tốc độ dữ liệu. Như minh họa trong Hình 1.4, liên kết mới khơng thể đạt công
suất tối đa ngay cả khi chất lượng liên kết trở nên tốt hơn. Kết nối kép được đề xuất
trong Release 12 có thể làm giảm bớt sự gián đoạn truyền dẫn ở một mức độ nào đó
bằng cách duy trì một kết nối với ơ macro khi di chuyển qua các small cell [10]. Tuy
nhiên, tỷ lệ liên kết ơ macro nhìn chung ở ơ các cạnh, có nghĩa là chỉ điều khiển tín hiệu
và cơ bản thơng tin liên lạc có thể được duy trì. Sự thay đổi lớn của người dùng thông
lượng sẽ xảy ra trong q trình chuyển giao. Với phạm vi phủ sóng nhỏ của các ô UDN,
việc chuyển giao dự kiến sẽ xảy ra thường xuyên hơn nhiều. Rõ ràng là cần có giải pháp
để giải quyết vấn đề di động, để trải nghiệm người dùng có thể nhất quán hơn. Trong

e