I. Tổng Quan Về Hệ Thống D2D 5G tại Đại học Giao thông
Sự phát triển liên tục của mạng di động từ 2G đến 5G đã thay đổi căn bản thế giới. 2G giới thiệu tiêu chuẩn kỹ thuật số hài hòa cho giọng nói và cho phép chuyển vùng, tin nhắn SMS trở nên phổ biến. 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 tốc độ 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. 5G sẽ trở thành công nghệ truyền thông di động thống trị trong năm 2020 về số lượng thuê bao, thu hút 3,6 tỷ người dùng tại thời điểm đó. Giao tiếp D2D đại diện cho một loại công nghệ mô hình giao tiếp không dây mới, cho phép giao tiếp trực tiếp giữa các thiết bị không dây gần đó trong khi vẫn được điều khiển trong các trạm gốc macro. 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. Giao tiếp 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. 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.
1.1. Giới thiệu về công nghệ D2D Device to Device
Truyền thông D2D (Device-to-Device) 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 ấn 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.
1.2. Các ứng dụng tiềm năng của D2D trong mạng 5G
Giao tiếp D2D (Device-to-Device) đại diện cho một loại công nghệ mô hình giao tiếp không dây mới, cho phép giao tiếp trực tiếp giữa các thiết bị không dây gần đó trong khi vẫn được điều khiển trong các trạm gốc macro. 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. Đặc biệt, truyền thông 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. 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.
II. Thách Thức Kỹ Thuật Quản Lý D2D 5G tại Hà Nội
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.
2.1. Vấn đề phát hiện thiết bị trong mạng D2D 5G
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. 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. Thông tin này đóng vai trò 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.
2.2. Lựa chọn chế độ giao tiếp D2D hiệu quả nhất
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 thông thiết bị - thiết bị (D2D). 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 thông 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 không 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 mô tả như hình 1.
2.3. Bảo mật trong hệ thống D2D 5G Các thách thức và giải pháp
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 công bởi các cuộc tấn công đội lốt (ví dụ: giả mạo, nghe lén, tấn công trung gian, 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 thông 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.
III. Quản Lý Nhiễu Hiệu Quả Trong Mạng D2D 5G tại Việt Nam
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.
3.1. Các loại nhiễu trong kiến trúc mạng hai lớp D2D
Trong kiến trúc mạng hai tầng, hai loại nhiễu: co-tier và cross-tier được giới thiệu như trong Hình 1.4 được giải thích trong phần này và được minh họa trong Hình 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.
3.2. Các phương pháp giảm thiểu nhiễu đồng tầng hiệu quả
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.
3.3. Nhiễu chéo tầng Cross tier interference và cách xử lý
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) 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).
IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu D2D 5G tại trường ĐH GTVT
Các nghiên cứu về D2D tại Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất mạng 5G thông qua việc quản lý nhiễu và phân bổ tài nguyên hiệu quả. Các kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng các thuật toán quản lý nhiễu tiên tiến có thể cải thiện đáng kể thông lượng và giảm độ trễ trong mạng D2D. Ngoài ra, việc phân bổ tài nguyên một cách linh hoạt dựa trên nhu cầu của người dùng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) cho cả người dùng di động và người dùng D2D.
4.1. Mô phỏng và đánh giá hiệu năng hệ thống D2D 5G
Các mô phỏng được thực hiện để đánh giá hiệu năng của hệ thống D2D dưới ảnh hưởng của kênh pha đinh Rayleigh. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng các phương pháp quản lý nhiễu như ISA (Interference Suppression Area) và ILA (Interference Limited Area) có thể cải thiện đáng kể dung lượng hệ thống và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu pha đinh.
4.2. Triển khai thử nghiệm hệ thống D2D 5G tại khuôn viên trường
Việc triển khai thử nghiệm hệ thống D2D tại khuôn viên trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội cho phép đánh giá hiệu quả của các giải pháp quản lý nhiễu trong môi trường thực tế. Các kết quả thu được từ quá trình thử nghiệm cung cấp những thông tin quan trọng để tối ưu hóa hệ thống và chuẩn bị cho việc triển khai rộng rãi trong tương lai.
V. Kết Luận và Hướng Phát Triển D2D 5G tại Việt Nam
Quản lý nhiễu là một thách thức quan trọng trong việc triển khai D2D trong mạng 5G. Các nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn tại Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội đã đóng góp vào việc phát triển các giải pháp quản lý nhiễu hiệu quả, giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng dịch vụ của mạng 5G. Trong tương lai, việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các thuật toán quản lý nhiễu tiên tiến, cũng như tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên, sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của D2D và mạng 5G tại Việt Nam.
5.1. Tổng kết các kết quả nghiên cứu chính về D2D 5G
Các kết quả nghiên cứu chính về D2D 5G tập trung vào việc quản lý nhiễu và phân bổ tài nguyên hiệu quả. Các thuật toán quản lý nhiễu tiên tiến có thể cải thiện đáng kể thông lượng và giảm độ trễ trong mạng D2D. Việc phân bổ tài nguyên một cách linh hoạt dựa trên nhu cầu của người dùng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) cho cả người dùng di động và người dùng D2D.
5.2. Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo cho D2D 5G
Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo cho D2D 5G bao gồm việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các thuật toán quản lý nhiễu tiên tiến, tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên, và tích hợp D2D với các công nghệ mới như Edge Computing và Network Slicing để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng và các ứng dụng mới.
