CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯU TRỮ VÀ TRUYỀN VIDEO TRONG MẠNG D2D DÀY ĐẶC Tóm tắt: Trong chương này, các vấn đề kỹ thuật, ứng dụng và thách thức liên quan đến lưu trữ và truyền video từ thiết bị đến thiết bị (D2D) sẽ được trình bày. Cụ thể, NCS sẽ giới thiệu các kỹ thuật quản lý phổ tần, kỹ thuật truyền thông D2D điểm – điểm, điểm – đa điểm và đa chặng đa đường (MHMP). Các ứng dụng của truyền thông D2D cũng được làm rõ như: các ứng dụng nội bộ, truyền video, quản lý thiên tai, an toàn công, và IoT và HANETs (Hybrid Ad-Hoc Wireless Sensor Networks),… Ngoài ra, thuật giải di truyền (GA) cũng được đề xuất và cải tiến phù hợp cho các bài toán lưu trữ và truyền video trong mạng D2D dày đặc. Các mô hình, kỹ thuật và ứng dụng này được công bố trong tài liệu [C1].
GIỚI THIỆU MẠNG D2D DÀY ĐẶC 1.1 Mô hình, kỹ thuật và các ứng dụng của mạng D2D Trong các mạng B5G/6G, truyền thông D2D dày đặc đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong việc mở rộng phạm vi phủ sóng, giảm tải cho các liên kết backhaul của cả trạm gốc (MBS) và trạm cơ sở nhỏ (SBS), cũng như phục vụ người dùng di động (MU) các ứng dụng - dịch vụ cục bộ với dung lượng cao. Do đó, các mạng B5G/6G cũng cần các giải pháp có hỗ trợ bởi truyền thông mạng D2D để đáp ứng nhiều ứng dụng và dịch vụ nâng cao được yêu cầu từ các MU. Trong phần này, NCS sẽ trình bày chi tiết các kỹ thuật lưu trữ trong mạng truyền thông D2D liên quan đến mô hình, kỹ thuật và ứng dụng cho mạng B5G/6G. a) Mô hình Mô hình lưu trữ và truyền thông trong mạng D2D dày đặc được minh họa trong Hình 1-1.
Nó bao gồm mạng lõi, MBS, SBS, máy bay không người lái (UAV), MU và các phương tiện phụ trợ. Mạng D2D có thể cung cấp các ứng dụng và dịch vụ nâng cao (AAS) qua nhiều chế độ liên lạc, ví dụ: truyền thông giữa các xe (V2V), truyền thông D2D trực tiếp (điểm – điểm hoặc điểm – đa điểm) và truyền thông MHMP D2D. Mô hình lưu trữ và truyền thông trong mạng D2D dày đặc Riêng đối với truyền thông MHMP D2D, các kỹ thuật chính bao gồm định tuyến, lựa chọn chuyển tiếp (RS), bộ nhớ đệm, chia sẻ tài nguyên phổ đường xuống (DRS) và thu thập năng lượng (EH). Các kỹ thuật định tuyến và RS đóng một vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm các truyền thông MHMP D2D tốt nhất từ các MU nguồn (SU) đến các MU đích (DU).
Ngoài ra, các kỹ thuật lưu trữ, DRS và EH cũng được áp dụng để tận dụng hơn nữa nguồn năng lượng lưu trữ, phổ tần và môi trường xung quanh nhằm nâng cao hiệu suất của mạng truyền thông D2D. Mạng D2D dày đặc có thể cung cấp AAS cho nhiều DU như phát trực tuyến video, mạng xã hội, học tập điện tử, y tế điện tử, giao thông thông minh… Hơn nữa, với sự hỗ trợ của mạng truyền thông D2D, mạng B5G/6G có thể triển khai hiệu quả hơn cho các ứng dụng về phân phối nội dung, an toàn công cộng, quản lý môi trường và thảm họa, mạng IoT và HANET. Lợi ích chính của mạng D2D là nó có thể mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng từ các khu vực chức năng đến các khu vực phi chức năng, ví dụ, trong các tình huống thảm họa và khẩn cấp [3]. 10 b) Kỹ thuật Hinh 1-2.
Thiết lập truyền thông D2D Để mạng D2D có thể hoạt động, các kết nối D2D phải được thiết lập. Hình 1-2 trình bày quá trình thiết lập một cặp truyền thông D2D thông qua 5 bước sau: (1) Người dùng i gửi yêu cầu thiết lập D2D đến MBS. (3) Kiểm tra tính khả thi đối với truyền thông D2D được thực hiện bởi MBS. 11 (4) Nếu cả hai người dùng đều đáp ứng các điều kiện của thiết lập phiên, MBS sẽ gửi lời mời của người dùng i đến người dùng j.
(5) Truyền thông D2D được thiết lập giữa người dùng i và người dùng j, và một cặp D2D được hình thành. Trong truyền thông D2D, các kỹ thuật tái sử dụng phổ tần được coi là giải pháp nổi bật để nâng cao dung lượng hệ thống và hiệu quả tài nguyên hệ thống [4-7]. Sử dụng các kỹ thuật tái sử dụng phổ tần nghĩa là cho phép truyền trực tiếp giữa hai MU ở gần nhau sử dụng lại tần số được chia sẻ bởi một người dùng khác, từ đó áp dụng truyền thông D2D vào việc lưu trữ và truyền dữ liệu trực tiếp giữa các thiết bị nhằm giảm tải cho trạm MBS và SBS – nơi phải phục vụ lượng lớn MU và cung cấp lượng lớn các ứng dụng video đa dạng (VAS – Video Applications and Service) ngày càng tăng nhanh [8]-[9]. c) Ứng dụng Như chúng ta có thể thấy từ phần trước rằng, mạng truyền thông D2D có thể hỗ trợ hiệu quả các MBS và SBS để cung cấp cho các MU nhiều ứng dụng và dịch vụ tiên tiến trong vùng không gian nhất định.
Trong phần này, các ứng dụng và dịch vụ hỗ trợ bởi mạng truyền thông D2D có thể kể đến gồm: truyền thông nội bộ, truyền trực tiếp video, quản lý thiên tai, an toàn khi tham gia kết nối, IoT và HANETs. Truyền thông nội bộ Ứng dụng dịch vụ truyền tải dữ liệu nội bộ giữa hai thiết bị trong vùng phủ sóng D2D cho phép giảm độ trễ và tăng tốc độc truyền [10], [11]. Từ đó, để tăng hiệu suất mạng và cải thiện QoS, ta có thể áp dụng để truyền thông tin nội bộ trong các khu vực vừa và nhỏ như: phòng họp, hội trường hay phân phối đến các thiết bị gần nhau thông qua truyền thông D2D [12-14]. Truyền video Theo Cisco, trong tương lai gần thì dịch vụ chia sẻ video sẽ chiếm hơn khoảng 90% lưu lượng truy cập Internet so với các dịch vụ còn lại trên toàn cầu [15].
Ngoài ra, chúng ta cũng nhận thấy rằng một lượng lớn MU yêu cầu các ứng dụng và dịch vụ video đa dạng (VAS), như thực tế ảo, y tế điện tử và giáo dục, giám sát, quản lý và giải 12 trí, với nhu cầu dung lượng cao hơn bao giờ hết mặc dù nguồn tài nguyên phổ trong mạng B5G khan hiếm [16-18]. Điều này đã dẫn đến nhu cầu quản lý tài nguyên phổ hoặc/và cải tiến kiến trúc mạng cho phù hợp với lợi ích của cả nhà mạng di động và MU. Một trong những giải pháp hiệu quả nhất là sử dụng các MU có nội dung video được lưu trữ (SU) để chia sẻ và các MU có sẵn tài nguyên phổ đường xuống (SU) để tái sử dụng nhằm thiết lập các phiên truyền video qua truyền thông D2D [19-24]. Bằng cách này, các video cải thiện được chất lượng và tăng tốc độ truyền dữ liệu nhằm đảm bảo QoS khi phục vụ người dùng cuối.
Quản lý thảm họa Trong điều kiện khẩn cấp như thiên tai, nhiều nghiên cứu cho rằng truyền thông D2D là công nghệ quan trọng giúp duy trì kết nối cho các hoạt động cứu hộ. Nguyên nhân chính là cơ sở hạ tầng di động thường bị phá hủy toàn bộ hoặc một phần khi thiên tai xảy ra và truyền thông D2D là giải pháp thích hợp cho những trường hợp này [25- 27]. Yêu cầu giữ liên lạc liên tục là một vấn đề quan trọng thu hút các nghiên cứu. Do thiệt hại của mạng di động trong thảm họa, trong điều kiện năng lượng và tuổi thọ pin hạn chế của các chặng di động, truyền thông D2D được áp dụng một số kỹ thuật đặc biệt, chẳng hạn như phân cụm, thu năng lượng, tạo chùm tia hợp tác [25-33].
Bên cạnh việc sử dụng các trạm gốc còn lại của cơ sở hạ tầng mạng, UAV cũng được triển khai để thiết lập thông tin D2D được trao đổi để quản lý thảm họa [34-37]. Các UAV có thể giúp thay thế vai trò của các trạm gốc bị hỏng trong các khu vực xảy ra thảm họa bằng cách tự kết nối với các MBS trong các khu vực an toàn. Truyền thông D2D sau đó được kết nối với UAV để cung cấp cho các MU thông tin hữu ích có thể giảm thiểu thiệt hại về người do thiên tai. An toàn công cộng Điều thú vị là mạng truyền thông D2D đã được áp dụng rộng rãi cho các mạng B5G/6G vì mục đích an toàn công cộng [42-49].
Trong trường hợp này, mạng B5G/6G có thể bị hỏng một phần hoặc toàn bộ, hoặc các MBS bị quá tải do lưu lượng lớn được yêu cầu từ các MU về hỗ trợ khẩn cấp và nhiều kết nối [45]. Những ứng dụng công khai như vậy thường có sự tham gia của lực lượng khẩn cấp và có các chính sách 13 bảo mật riêng để đảm bảo an toàn cho công dân. Để đáp ứng các yêu cầu của truyền thông khẩn cấp như độ trễ thấp, trao đổi lưu lượng dữ liệu cao, duy trì kết nối, vùng phủ sóng lớn; thuật toán định tuyến [45], kỹ thuật chuyển tiếp và phân cụm [42-46], và thậm chí sử dụng UAV [48, 49, 37]; đã được nghiên cứu thêm cho các truyền thông D2D, đặc biệt là MHMP D2D. Do đó, các mạng B5G/6G với truyền thông D2D có thể hỗ trợ lực lượng khẩn cấp và chính quyền địa phương trong việc nâng cao hiệu suất của các hoạt động an toàn công cộng.
IoT và HANETs Với sự gia tăng của các thiết bị không dây, IoT và HANET được nhắc đến thường xuyên trong nhiều ứng dụng của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Lợi thế của truyền thông D2D cho phép các chặng di động truyền thông trực tiếp với nhau đóng một vai trò quan trọng trong mạng IoT và HANET. Truyền thông D2D được mở rộng thành truyền thông MHMP D2D cho mạng IoT bằng cách sử dụng các thuật toán định tuyến [38-40]. Mục tiêu là khai thác các chặng di động dày đặc trong IoT và HANET để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.2 Các thách thức của mạng D2D dày đặc a) Thiết lập cặp D2D Để thiết lập được một cặp truyền thông D2D thì cần đảm bảo các yếu tố như sau: Mật độ MU tham gia vào việc thiết lập cặp D2D với số lượng vừa đủ, để có thể tìm ra các ứng viên MU nào phù hợp cho việc hình thành một cặp D2D.
Khoảng cách giữa các MU ứng viên là tiêu chí quan trọng, tức là cần đảm bảo khoảng cách ngắn nhất có thể. Từ đó giúp các MU ứng viên dễ dàng tìm thấy nhau trong vùng phạm vi phủ sóng của nó. Năng lượng để duy trì các D2D đặc biệt được xem xét khi chúng đã thành một cặp D2D.