Luận án tiến sĩ về kỹ thuật lập lịch cho mạng thông tin di động thế hệ mới

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật lập lịch cho mạng thông tin di động thế hệ mới, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và khả năng kết nối.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án tiến sĩ

2021

109
2
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CẢM ƠN

1. MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết của luận án

1.2. Những vấn đề còn tồn tại

1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.4. Mục tiêu nghiên cứu

1.5. Đối tượng nghiên cứu

1.6. Phương pháp nghiên cứu

1.7. Phạm vi nghiên cứu

1.8. Những đóng góp của luận án

1.9. Bố cục luận án

2. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LẬP LỊCH

2.1. Hệ thống thông tin di động 5G

2.2. Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống thông tin di động 5G

2.3. Hệ thống thông tin di động nhiều ăng ten đa người dùng MU-MIMO

2.3.1. Ước lượng kênh truyền theo chiều lên

2.3.2. Truyền dữ liệu chiều xuống

2.3.3. Xử lý tuyến tính

2.4. Hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ rất lớn Massive MIMO

2.4.1. Ưu điểm của hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ rất lớn

2.4.2. Thách thức của hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ rất lớn

2.5. Hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ rất lớn mmWave Massive MIMO

2.5.1. Các thách thức của bước sóng cỡ mmWave Massive MIMO

2.5.2. Mảng ăng ten cho mmWave Massive MIMO

2.5.3. Kiến trúc bộ RF

2.5.4. Ước lượng kênh truyền trong hệ thống mmWave Massive MIMO

2.5.5. Mô hình kênh truyền

2.5.6. Các giải pháp tiền mã hóa

2.6. Kỹ thuật lập lịch

2.6.1. Cấu trúc khung của mạng vô tuyến

2.6.2. Kỹ thuật lập lịch ở mạng vô tuyến

2.6.3. Thách thức

2.6.4. Một số kỹ thuật lập lịch

2.7. Kết luận chương 1

3. KỸ THUẬT LẬP LỊCH ĐẢM BẢO TỐC ĐỘ TỐI THIỂU CỦA THUÊ BAO DỰA TRÊN THÔNG TIN LÃO HÓA KÊNH TRUYỀN

3.1. Ý tưởng kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu cho thuê bao khi sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền

3.2. Mô hình hệ thống

3.3. Ước lượng kênh truyền

3.4. Truyền dữ liệu chiều xuống

3.5. Tốc độ tổng có thể đạt được với hiện tượng lão hóa kênh truyền

3.6. Kỹ thuật lập lịch đề xuất QoS-Aware

3.7. Kết quả mô phỏng

3.8. Kết luận chương 2

4. KỸ THUẬT LẬP LỊCH CHO HỆ THỐNG ĂNG TEN CỠ RẤT LỚN ĐẢM BẢO ĐA TỐC ĐỘ TỐI THIỂU

4.1. Ý tưởng về kỹ thuật lập lịch đảm bảo đa tốc độ tối thiểu cho người dùng

4.2. Mô hình hệ thống

4.3. Ước lượng kênh truyền

4.4. Truyền tín hiệu chiều xuống

4.5. Bài toán tối ưu của kỹ thuật lập lịch

4.5.1. Các tiêu chí tối ưu

4.5.2. Xây dựng hàm mục tiêu

4.6. Giải pháp đề xuất

4.7. Kết quả mô phỏng

4.8. Kết luận chương 3

5. KỸ THUẬT LẬP LỊCH CHO HỆ THỐNG ĂNG TEN BƯỚC SÓNG MM SỬ DỤNG CÁC BỘ ADC PHÂN GIẢI THẤP

5.1. Ý tưởng kỹ thuật lập lịch cho hệ thống ăng ten cỡ rất lớn bước sóng mm khi sử dụng các bộ ADC phân giải thấp

5.2. Mô hình hệ thống

5.2.1. Truyền dẫn chiều xuống

5.2.2. Mô hình lượng tử hóa

5.2.3. Tiền mã hóa lai đa người dùng hai giai đoạn cho kênh truyền một đường

5.3. Kỹ thuật lập lịch đề xuất

5.4. Kết quả mô phỏng

5.5. Kết luận chương 4

KẾT LUẬN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về kỹ thuật lập lịch

Kỹ thuật lập lịch cho mạng di động thế hệ mới là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng nhằm tối ưu hóa hiệu suất mạng. Kỹ thuật lập lịch không chỉ đơn thuần là phân phối tài nguyên mà còn phải đảm bảo chất lượng dịch vụ cho người dùng. Mạng di động thế hệ mới, đặc biệt là mạng 5G, yêu cầu các kỹ thuật lập lịch phải có khả năng xử lý thông tin lão hóa kênh truyền để tối ưu hóa tốc độ và độ tin cậy. Việc sử dụng công nghệ di động hiện đại như MU-MIMOMassive MIMO cho phép tăng cường dung lượng hệ thống, đồng thời giảm thiểu độ trễ. Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc áp dụng các kỹ thuật lập lịch hiệu quả có thể cải thiện đáng kể hiệu suất mạng và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

1.1 Hệ thống thông tin di động 5G

Hệ thống thông tin di động 5G mang lại nhiều cải tiến vượt bậc so với các thế hệ trước. Với băng tần rộng và số lượng ăng ten lớn, mạng 5G có khả năng cung cấp tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến 10 Gbps. Điều này không chỉ giúp cải thiện trải nghiệm người dùng mà còn mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng mới trong kỷ nguyên Internet of Things (IoT). Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất tối ưu, các kỹ thuật lập lịch cần phải được điều chỉnh để phù hợp với đặc điểm của mạng không dây và yêu cầu chất lượng dịch vụ của từng thuê bao. Việc tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến và đảm bảo tốc độ tối thiểu cho thuê bao là những thách thức lớn mà các nhà nghiên cứu đang phải đối mặt.

1.2 Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống thông tin di động 5G

Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống thông tin di động 5G bao gồm khả năng phục vụ nhiều thuê bao cùng lúc với tốc độ cao và độ trễ thấp. Kỹ thuật lập lịch cần phải đảm bảo rằng các thuê bao được phục vụ có thể đạt được tốc độ tối thiểu theo yêu cầu của chất lượng dịch vụ (QoS). Các nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng việc sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền có thể giúp cải thiện hiệu suất mạng, tuy nhiên, cần phải có các giải pháp tối ưu hơn để đảm bảo rằng tốc độ phục vụ không bị ảnh hưởng bởi việc sử dụng thông tin quá cũ. Điều này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải phát triển các mô hình toán học và thuật toán lập lịch hiệu quả hơn.

II. Kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu

Kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu cho thuê bao là một trong những vấn đề quan trọng trong nghiên cứu mạng di động thế hệ mới. Việc sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền để ước lượng tốc độ phục vụ cho từng thuê bao là một giải pháp khả thi. Kỹ thuật lập lịch này không chỉ giúp tối ưu hóa dung lượng hệ thống mà còn đảm bảo rằng tất cả các thuê bao đều được phục vụ với tốc độ tối thiểu cần thiết. Các mô hình toán học được xây dựng để đánh giá hiệu quả của kỹ thuật này cho thấy rằng việc áp dụng các thuật toán lập lịch thông minh có thể cải thiện đáng kể hiệu suất mạng. Hơn nữa, việc sử dụng các bộ ADC phân giải thấp trong hệ thống ăng ten cỡ rất lớn cũng là một yếu tố quan trọng giúp giảm thiểu chi phí và tăng cường khả năng phục vụ.

2.1 Ý tưởng kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu

Ý tưởng chính của kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu là sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền để ước lượng tốc độ phục vụ cho từng thuê bao. Điều này cho phép hệ thống có thể điều chỉnh tài nguyên một cách linh hoạt, đảm bảo rằng các thuê bao có chất lượng kênh truyền tốt nhất sẽ được phục vụ trước. Kỹ thuật này không chỉ giúp tối ưu hóa dung lượng hệ thống mà còn đảm bảo rằng tất cả các thuê bao đều có thể đạt được tốc độ tối thiểu theo yêu cầu của chất lượng dịch vụ (QoS). Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng kỹ thuật lập lịch này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất mạng, đặc biệt trong các tình huống có nhiều thuê bao cùng sử dụng dịch vụ.

2.2 Mô hình hệ thống

Mô hình hệ thống cho kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu được xây dựng dựa trên các thông số về chất lượng dịch vụ và thông tin lão hóa kênh truyền. Mô hình này cho phép đánh giá hiệu quả của các thuật toán lập lịch trong việc phân phối tài nguyên cho các thuê bao. Việc sử dụng các mô hình toán học giúp các nhà nghiên cứu có thể phân tích và tối ưu hóa các tham số của hệ thống, từ đó đưa ra các giải pháp lập lịch hiệu quả hơn. Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng mô hình này có thể giúp cải thiện đáng kể tốc độ phục vụ cho các thuê bao, đồng thời giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền tải dữ liệu.

25/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở Đầu 1 Tính cấp thiết của luận án Hiện nay nhu cầu sử dụng dịch vụ di động ngày càng lớn do tính phổ biến và tiện dụng của các thiết bị đầu cuối di động. Theo dự báo của Cisco năm 2019, lưu lượng di động được dự báo tiếp tục tăng đều qua các năm từ mức 10 exabytes một tháng trong năm 2017 lên mức hơn 80 exabytes một tháng trong năm 2022, như trong hình 1 [24]. Hình 1: Lưu lượng sử dụng di động mỗi tháng Bên cạnh đó, các ứng dụng mới trong kỷ nguyên của Internet of Things - kết 1 luan an nối vạn vật (IoT) sẽ tiếp tục đặt ra nhiều cơ hội cũng như thách thức cho sự phát triển của ngành di động. Các hệ thống camera giám sát sẽ rất phổ biến và theo dõi xã hội mọi nơi và mọi lúc.

Các động vật cũng được giám sát và theo dõi sức khỏe từ xa như con người. Các ô tô tự lái sẽ được nối mạng để nhận biết môi trường cũng như các nguy cơ tiềm ẩn theo thời gian thực. Các bác sĩ có thể cứu chữa cho bệnh nhân từ xa qua mạng thông tin di động, không còn phụ thuộc môi trường địa lý. Việc tương tác hai chiều sẽ đòi hỏi mạng thông tin di động có chất lượng cao hơn về tốc độ, độ tin cậy và độ trễ.

Mạng di động các thế hệ đầu tiên như 2G và 3G chủ yếu phục vụ nhu cầu thoại của người dùng với công nghệ chuyển mạch kênh là chủ yếu. Chỉ đến 4G thì tốc độ dữ liệu của người dùng mới được cải thiện và mạng lõi đã hoàn toàn sử dụng công nghệ chuyển mạch gói, tuy nhiên tài nguyên vô tuyến vẫn rất hữu hạn. Một đặc điểm khác của mạng vô tuyến là sự biến thiên theo thời gian, theo tần số và cả không gian. Vì vậy, lập lịch được sử dụng như một lớp thích nghi với sự biến đổi của môi trường vô tuyến và các yêu cầu khác nhau về chất lượng dịch vụ của mạng lõi chuyển mạch gói.

Tuy nhiên, các kỹ thuật lập lịch cho mạng 4G được giới hạn chủ yếu vào các nhóm sau [57]: • Tối ưu tốc độ hệ thống: kỹ thuật lập lịch sẽ chọn ra các thuê bao có chất lượng kênh truyền tốt nhất để phục vụ nhằm đạt được tốc độ hệ thống cao nhất. Tuy nhiên, nhược điểm của kỹ thuật này là các thuê bao ở trạng thái kênh truyền kém sẽ không được phục vụ. • Bình quân về tốc độ: kỹ thuật lập lịch sẽ phục vụ mọi thuê bao sao cho dung lượng sử dụng của mọi thuê bao sẽ gần bằng nhau nhất. Đây là kỹ thuật được sử dụng chủ yếu khi triển khai thực tế của mạng 4G.

Tuy nhiên, nhược điểm của kỹ thuật này là tốc độ hệ thống đạt được sẽ kém hơn nhiều so với 2 luan an kỹ thuật tối ưu tốc độ hệ thống. Mạng 5G đem lại sự thay đổi rất lớn so với các mạng trước đây cả về độ rộng băng tần sử dụng và đặc biệt là sử dụng số lượng ăng ten cỡ rất lớn phía trạm gốc. Dung lượng hệ thống tăng tỷ lệ thuận với số lượng ăng ten sử dụng nên dung lượng của trạm gốc trong 5G sẽ tiệm cận với 10 Gbps tức là gấp 10 lần tốc độ của mạng 4G. Sử dụng sóng mmWave với dải tần từ 28 Ghz đến 300 Ghz khiến tài nguyên vô tuyến lớn hơn rất nhiều so với mạng 4G.

Vì vậy, kỹ thuật lập lịch áp dụng cho mạng 5G cần hướng tới việc đảm bảo chất lượng người dùng hoặc tối ưu về hiệu quả sử dụng hơn là đơn thuần nhằm tăng tốc độ hệ thống hoặc phục vụ bình quân cho mọi thuê bao. Các hướng nghiên cứu chính về kỹ thuật lập lịch trong mạng 5G hiện nay là: • Tăng dung lượng hệ thống nhờ đặc tính kênh truyền hệ thống ăng ten cỡ rất lớn là ổn định theo thời gian nên có thể sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền để ước lượng kênh truyền hiện tại của thuê bao. Nhờ đó, giảm được tài nguyên ước lượng kênh truyền mà vẫn có thể phục vụ thêm thuê bao. • Do số lượng ăng ten là rất lớn nên có thể lựa chọn các ăng ten có kênh truyền tốt nhất để phục vụ mà không cần tiêu tốn công suất và các ăng ten không ở trong điều kiện tối ưu cho thuê bao.

Xuất hiện hướng nghiên cứu của kỹ thuật lập lịch về các tiêu chí để lựa chọn tập thuê bao và tập ăng ten phục vụ. • Do dung lượng hệ thống của 5G đã đạt được tốc độ cao nên bắt đầu quan tâm đến việc bảo đảm tốc độ tối thiểu cho thuê bao. Lúc này bài toán lập lịch không chỉ phục vụ thuê bao bằng mọi giá mà còn phải đánh giá xem tốc độ phục vụ của thuê bao có đạt được yêu cầu của chất lượng dịch vụ QoS hay 3 luan an không. • Lập lịch đảm bảo độ trễ tối thiểu cho thuê bao.

Đây là hướng lập lịch đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS hướng đến các ứng dụng đòi hỏi độ trễ thấp trong mạng 5G. Tuy nhiên, do đặc tính về chất lượng dịch vụ trong mạng lõi dựa trên công nghệ IP phức tạp hơn rất nhiều so với nhưng kỹ thuật lập lịch hiện nay trong các nghiên cứu về mạng 5G nên cần có những cải tiến hơn nữa về kỹ thuật lập lịch để đáp ứng được nhu cầu của người dùng. 2 Những vấn đề còn tồn tại Việc áp dụng thông tin lão hóa kênh truyền để làm tăng dung lượng hệ thống cho mạng 5G đã góp phần tăng mạnh dung lượng hệ thống tuy nhiên các nghiên cứu hiện nay về kỹ thuật lập lịch áp dụng thông tin lão hóa kênh truyền chưa quan tâm đến việc sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền có thể dẫn đến tình trạng tốc độ đạt được của thuê bao là không cao khi sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền quá cũ. Trường hợp khác có thể xảy ra là các nghiên cứu về kỹ thuật lập lịch sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền không chỉ ra được số thuê bao tối ưu cần được phục vụ là bao nhiêu.

Dẫn đến trong nhiều trường hợp số lượng thuê bao được phục vụ là quá lớn dẫn đến tốc độ trung bình của các thuê bao sẽ bị giảm xuống. Vì vậy, cần tham chiếu các thông số về chất lượng dịch vụ của phần mạng lõi IP để tác động lên quá trình lập lịch nhằm đảm bảo được chất lượng dịch vụ cho người dùng. Hiện tại, có một số nghiên cứu về kỹ thuật lập lịch đang chú trọng về đảm bảo một tốc độ tối thiểu cho toàn bộ thuê bao và sử dụng các thuật toán vét cạn để tìm lời giải tối ưu. Tuy nhiên thực tế là các ứng dụng chạy trên mạng thông tin di 4 luan an động có nhiều yêu cầu về tốc độ tối thiểu khác nhau.

Việc sử dụng các tính toán quá phức tạp sẽ dẫn đến độ trễ xử lý trong việc lập lịch của thuê bao. Vì vậy, cần thiết đề xuất ra kỹ thuật lập lịch cho người dùng với nhiều tốc độ tối thiểu khác nhau và kỹ thuật đề xuất cần đơn giản trong tính toán nhằm giảm thời gian tính toán, đáp ứng được yêu cầu về độ trễ của người dùng. Hơn nữa, các thông số về chất lượng dịch vụ trong mạng lõi không chỉ là độ trễ mà còn có các thông tin về độ ưu tiên của dịch vụ. Độ ưu tiên của dịch vụ khác nhau có thể dẫn đến sự khác biệt hoàn toàn về giá cước dịch vụ giữa các người dùng.

Vì vậy, thông số về độ ưu tiên của dịch vụ trong mạng lõi nên là một tham số đánh giá trong quá trình lập lịch. 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học của luận án mà luận án hướng tới là xây dựng các mô hình toán học và chương trình mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng của kỹ thuật lập lịch lên hiệu năng hệ thống thông tin di động 5G. Các mô hình toán học, chương trình tính toán và mô phỏng sẽ là công cụ cho việc thiết kế, đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật lập lịch đề xuất. Ý nghĩa thực tiễn của luận án mà nghiên cứu sinh kỳ vọng đạt được thể hiện ở các kỹ thuật lập lịch đề xuất có thể áp dụng được vào thực tế để đảm bảo tốc độ tối thiểu cho thuê bao, khai thác đặc tính trực giao của kênh truyền vô tuyến và dung lượng của hệ thống thông tin di động 5G.

4 Mục tiêu nghiên cứu Xuất phát từ những phân tích ở trên, luận án tập trung thực hiện các mục tiêu chính sau đây: • Đề xuất kỹ thuật lập lịch và tính toán ảnh hưởng của việc sử dụng thông tin 5 luan an lão hóa kênh truyền lên tốc độ của từng thuê bao cũng như toàn hệ thống để đảm bảo rằng các thuê bao được phục vụ sẽ được cung cấp một tốc độ tối thiểu trong khi vẫn cải thiện dung lượng hệ thống. • Đề xuất kỹ thuật lập lịch và thực hiện mô hình hóa toán học để đảm bảo các thuê bao được phục vụ sẽ có được tốc độ tối thiểu theo yêu cầu và chọn ra được tập thuê bao tối ưu để dung lượng hệ thống là cao nhất. Hơn nữa kỹ thuật lập lịch sẽ tính đến độ ưu tiên của dữ liệu, đảm bảo rằng khi các yếu tố khác là như nhau thì thuê bao có độ ưu tiên cao hơn sẽ được phục vụ trước. • Đề xuất kỹ thuật lập lịch để khai thác đặc tính của kênh truyền trực giao trong mạng 5G.

Dựa vào đặc tính kênh truyền để xây dựng ngưỡng giới hạn để tìm ra tập thuê bao có đặc tính kênh truyền cần tìm kiếm, từ đó giảm bớt được thời gian tìm tập thuê bao phục vụ tối ưu. 5 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là kỹ thuật lập lịch sử dụng tại Next Generation NodeB - trạm gốc thế hệ tiếp theo (gNB) của mạng thông tin di động thế hệ mới 5G nhằm mục đích lựa chọn tập thuê bao phục vụ và phân phối tài nguyên vô tuyến cho các thuê bao một cách tối ưu để đạt dung lượng toàn hệ thống là cao nhất. Để đạt được mục tiêu đó cần nghiên cứu các kỹ thuật chính của hệ thống thông tin di động 5G như ước lượng kênh truyền và tiền mã hóa. Đồng thời nghiên cứu các yêu cầu của thuê bao trong mạng thông tin di động 5G để thỏa mãn các yêu cầu đó khi xây dựng các kỹ thuật lập lịch.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án tiến sĩ mang tiêu đề "Luận án tiến sĩ về kỹ thuật lập lịch cho mạng thông tin di động thế hệ mới" của tác giả Phạm Hùng, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Tiến Ban và PGS. Đặng Hoài Bắc, được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông vào năm 2021. Bài luận án này tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật lập lịch nhằm tối ưu hóa hiệu suất cho các mạng thông tin di động thế hệ mới. Những điểm nổi bật trong nghiên cứu bao gồm việc cải thiện khả năng quản lý tài nguyên mạng, giảm thiểu độ trễ và nâng cao chất lượng dịch vụ cho người dùng. Độc giả sẽ tìm thấy nhiều thông tin hữu ích về cách thức mà các kỹ thuật lập lịch có thể ảnh hưởng đến hiệu suất mạng, từ đó mở rộng hiểu biết về công nghệ viễn thông hiện đại.

Để khám phá thêm về các khía cạnh liên quan đến viễn thông và kỹ thuật mạng, bạn có thể tham khảo các tài liệu sau: Nâng cao chất lượng dịch vụ thời gian thực trong mạng LTE bằng thuật toán MLWDF, nơi nghiên cứu về cải thiện chất lượng dịch vụ trong mạng di động; Luận văn thạc sĩ về thiết kế bộ tổng hợp tần số trong hệ thống GPS, liên quan đến thiết kế và tối ưu hóa hệ thống viễn thông; và Luận văn về triệt nhiễu và tách sóng trong công nghệ CDMA, cung cấp cái nhìn sâu sắc về các công nghệ truyền thông không dây. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và hiểu biết về các công nghệ viễn thông tiên tiến.