Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến Thông tin di động đang trở thành một nền tảng lớn và quan trọng nhất trong lịch sử về cách con người giao tiếp, trải nghiệm giải trí và sử dụng Internet. Vào tháng 1 năm 2021, trong 7.83 tỷ dân số toàn cầu thì có 5.22 tỷ người dùng thiết bị di động cá nhân, chiếm khoảng 66.6% với tổng số lượng kết nối di động đạt 8. Đối với riêng Việt Nam, có 154.4 triệu kết nối di động với dân số là 97.75 triệu người, tương đương với 157.9% tổng dân số [6]. Bên cạnh đó, các thiết bị giúp kết nối Internet đang phát triển một cách bùng nổ, đặc biệt là các thiết bị di động có tích hợp nhiều chức năng như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính cá nhân và các thiết bị cầm tay khác.
Số liệu thu thập và dự đoán vào năm 2020 của công ty Cisco [1], một công ty hàng đầu thế giới về sản phẩm mạng, cho thấy số lượng thiết bị không dây sẽ tăng từ 8.8 tỷ năm 2018 đến khoảng 13 tỷ năm 2023 (hình 1. Trong đó, số lượng các thiết bị di động thông minh (điện thoại thông minh và phablets) và thiết bị kết nối M2M (machine-to-machine) tăng nhanh tương ứng 1.3 tỷ thiết bị trong vòng năm năm từ 2018 đến 2023. Ngược lại, số lượng điện thoại không thông minh giảm đáng kể từ 2. Cùng với sự phát triển của thiết bị di động, lưu lượng truy cập dữ liệu di động sẽ tăng nhanh chóng trong tương lai.
Trong 1 - Giới thiệu tổng quan 1 HV: Bùi Thanh Tính Phân bổ tài nguyên để quản lý can nhiễu trong UDN vòng mười năm từ năm 2020 đến năm 2030, những dữ đoán của Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) được mô tả trong hình 1.2 cho thấy lưu lượng truy cập dữ liệu di động toàn cầu được dự báo sẽ tăng từ 62 EB/tháng lên 5016 EB/tháng (EB = 1018 B) [2].1: Sự phát triển thiết bị di động và kết nối trên toàn cầu từ năm 2018 đến 2023 [1] Hình 1.2: Ước tính lưu lượng truy cập dữ liệu di động toàn cầu từ năm 2020 đến năm 2030 (bao gồm cả lưu lượng M2M) [2] Trong tương lai gần, lưu lượng dữ liệu di động tăng nhanh với hơn 90% lưu lượng diễn ra ở các hoạt động trong nhà [7]. Trong các khu vực thành phố, có nhiều cụm UE (user equipment) với mật độ cực cao như tòa nhà, trung tâm mua sắm, khách sạn, sân vận động, sân bay, lễ hội,. tạo ra các điểm nóng (hot spot) ở các môi trường trong nhà. 1 - Giới thiệu tổng quan 2 HV: Bùi Thanh Tính Phân bổ tài nguyên để quản lý can nhiễu trong UDN Các điểm nóng này yêu cầu được cung cấp dịch vụ di động có tốc độ cực cao với độ trễ thấp.
Ngoài ra, việc trao đổi dữ liệu đối với các thiết bị có tốc độ di chuyển nhanh được sử dụng trên các phương tiện giao thông cũng cần được đáp ứng. Tuy nhiên, các thế hệ mạng di động từ 4G trở về trước không được thiết kế để trao đổi thông tin trên các phương tiện giao thông [8]. Những yêu cầu này là nguyên nhân chính tạo động lực để phát triển thế hệ mạng di động thứ năm (5G). Sự ra đời của 5G giúp các hệ thống mạng sử dụng công nghệ này có thể phục vụ UE với: 1.
Mật độ UE cực cao; 2. UE di chuyển nhanh; 5. Năng lượng, giá thành thấp và số lượng thiết bị nhiều. Những yêu cầu chuẩn 5G quy định trong IMT-2020 được mô tả trong bảng 1.
Số lượng thiết bị mạng 5G có thể phục vụ lên đến 106 UE/km2 với tốc độ dữ liệu lên đến 20 Gbps và độ trễ nhỏ hơn 1 ms. Để đáp ứng các yêu cầu của chuẩn IMT-2020, ba công nghệ được xem là nền tảng của 5G là mạng mật độ cao (UDN), mmWave (millimeter wave) và mMIMO (massive MIMO) [10]. Việc sử dụng sóng có bước sóng cực ngắn (1-10 mm) tương ứng với tần số từ 30 GHz đến 300 GHz trong công nghệ mmWave có nhiều ưu điểm phải kể đến như sử dụng băng tần số cực cao chưa được dùng bởi những công nghệ khác, dễ dàng tích hợp nhiều ăng ten tăng hiệu quả định hướng, có thể truyền tín hiệu số tốc độ cao. Đối với mMIMO, số lượng ăng ten tại BS lớn hơn nhiều so với số lượng thiết bị phục vụ để tăng lưu lượng hệ thống.
Các ăng ten này sử dụng công suất thấp kết hợp với nhau để phục vụ song song nhiều thiết bị sử dụng cùng tài nguyên thời gian và tần số với mức can nhiễu thấp [12]. Nhờ những ưu điểm vượt trội mà theo số liệu thu thập vào năm 2020, công ty Ericsson dự đoán vào năm 2026 thì 5G sẽ đáp ứng khoảng 54% tổng lưu lượng dữ liệu toàn cầu (hình 1. 1 - Giới thiệu tổng quan 3 HV: Bùi Thanh Tính Phân bổ tài nguyên để quản lý can nhiễu trong UDN Bảng 1.1: Những yêu cầu của 5G theo chuẩn IMT-2020 Yêu cầu Giá trị Đỉnh Downlink: 20 Gbps Uplink: 10 Gbps Tốc độ dữ liệu Trải nghiệm Downlink: 100 Mbps người dùng Uplink: 50 Mbps Đỉnh Downlink: 30 bit/s/Hz Uplink: 15 bit/s/Hz Hiệu quả phổ Trung bình Downlink: 3.3 - 9 bit/s/Hz Uplink: 1.75 bit/s/Hz Dung lượng truyền khu vực 10 Mbit/s/m2 (Area traffic capacity) Người dùng 1 ms - 4 ms Độ trễ Điều khiển 20 ms Mật độ kết nối 1,000,000 thiết bị/km2 Hiệu quả năng lượng Chế độ tải: hiệu quả phổ trung bình Chế độ không dữ liệu: Tỷ lệ ngủ (sleep ratio) Độ tin cậy Xác suất thành công tối thiểu 1 − 10−5 khi truyền 2 PDU 32 bytes trong 1 ms Di chuyển 0 km/h - 500 km/h Băng thông 100 MHz Từ năm 2020, 5G bắt đầu được triển khai ở nhiều quốc gia trên thế giới [13]. Tuy nhiên, người ta dự đoán rằng 5G có thể sẽ không còn đủ khả năng để áp dụng trong các dịch vụ yêu cầu tốc độ dữ liệu đạt đến hàng Tbps, độ trễ nhỏ hơn vài trăm µs, số lượng kết nối lớn hơn hàng triệu kết nối mỗi km2 trong tương lai [14, 15].
Do đó, công nghệ mạng không dây thế hệ thứ 6 (6G) đang thu hút rất nhiều nhà nghiên cứu cả trong môi trường học thuật và môi trường công nghiệp ở một số quốc gia như Phần Lan, Vương quốc Anh, Đức, Hoa Kỳ [16]. Thêm vào đó, tầm nhìn của mạng 6G còn hướng đến các mục tiêu xa hơn nữa như tầm bao phủ mọi lúc mọi nơi (môi trường 1 - Giới thiệu tổng quan 4 HV: Bùi Thanh Tính Phân bổ tài nguyên để quản lý can nhiễu trong UDN Hình 1.3: Ước tính lưu lượng truy cập dữ liệu di động toàn cầu từ năm 2015 đến năm 2026 phân theo các thế hệ di động [3] không gian, trên không, dưới nước) [16], mạng thông minh (ứng dụng và hỗ trợ bởi các công nghệ trí tuệ nhân tạo) [16, 17], mạng tin cậy cao và linh động (có tính chất dinh chuyển được hoặc bố trí nhanh trong các trường hợp khẩn cấp) [18], mạng xanh (sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng để phát triển bền vững truyền thông vô tuyến) [19].2 Tính cấp thiết của đề tài Với sự bùng nổ của lưu lượng dữ liệu và số lượng các thiết bị không dây đã trình bày trong mục 1.1, UDN được xem là một công nghệ rất hứa hẹn để hỗ trợ lượng kết nối khổng lồ đặc biệt trong các ứng dụng Internet vạn vật (IoT). Internet vạn vật đang được sử dụng rộng rãi trong 5G và có nhiều tiềm năng trong 6G. Trong các hệ thống IoT, các cảm biến, phương tiện giao thông và các thiết bị được kết nối với nhau thông qua đường truyền Internet để hình thành nhiều dịch vụ khác nhau, đáp ứng các hoạt động của con người như thành phố thông minh, nhà thông minh, tự động hóa, giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe hoặc thậm chí áp dụng trong các phòng thí nghiệm từ xa, theo dõi liên hệ kỹ thuật số tự động (automated digital contact tracing) trong thời kì đại dịch COVID-19 [20–23].
Theo như báo cáo của Ericsson, số lượng các kết nối IoT 1 - Giới thiệu tổng quan 5 HV: Bùi Thanh Tính Phân bổ tài nguyên để quản lý can nhiễu trong UDN đang tăng nhanh và được dự đoán sẽ chạm mốc 26.4 tỷ trong năm 2026, trong đó công nghệ massive IoT (mIoT) chiếm 46% [24]. MIoT được tạo thành từ hàng trăm đến hàng triệu kết nối các thiết bị IoT với tốc độ dữ liệu thấp, công suất cực thấp và độ trễ thấp. Hiển nhiên, các mạng tế bào truyền thống không đủ khả năng để kết nối tất cả các thiết bị trong kịch bản mIoT. Với sự phát triển của công nghệ mạng tế bào, việc sử dụng UDN được xem là giải pháp hiệu quả cho vấn đề này.
Thật vậy, UDN có thể phục vụ đồng thời một số lượng rất lớn các UE với mật độ cao, giúp tăng tốc độ dữ liệu, cải thiện độ bao phủ và chất lượng dịch vụ (QoS) với độ trễ thấp [25, 26]. Ý tưởng cơ bản của UDN là các BS được bố trí sao cho gần UE nhất có thể để tăng cường chất lượng của tín hiệu truyền đi và sử dụng hiệu quả tài nguyên tần số bị giới hạn. Thêm vào đó, việc giảm khoảng cách giữa máy phát và máy thu giúp hệ thống mạng dễ dàng tích hợp với các công nghệ tần số cực cao (extremely high frequency - EHF) giúp cải thiện đáng kể tốc độ. UDN thường bao gồm 2 tầng macrocell và small-cell nên UDN thường được gọi là mạng không đồng nhất nhiều tầng (multi-tiered heterogeneous networks - HetNets).
So với các công nghệ mạng truyền thống, UDN giúp cải thiện đáng kể lưu lượng mạng, hiệu quả sử dụng phổ cũng như độ bao phủ với chất lượng dịch vụ (QoS) cao bằng cách giảm khoảng cách giữa các BS và các UE [25]. Tuy nhiên, việc bố trí với mật độ lớn các small cell trong UDN gây ra can nhiễu lớn, năng lượng tiêu thụ cao và độ phức tạp tính toán cao. Những nhược điểm này cần được cải thiện để UDN có thể áp dụng hiệu quả trong 5G và kể cả 6G với các ràng buộc rất khắt khe. Trong UDN, kích thước của small cell trở nên nhỏ hơn bao giờ hết, và do đó khoảng cách giữa các small cell gần kề cũng giảm.
Điều này làm cho can nhiễu liên cell cực kỳ cao. Thêm vào đó, can nhiễu cũng khó kiểm soát bởi vì các small cell được phân bổ ngẫu nhiên dựa vào mật độ của người dùng. Có nhiều nghiên cứu về việc giảm can nhiễu trong UDN.