CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG D2D 1.1 Giới thiệu Sự phát triển liên tục của mạng di động từ 2G đến 3G và 4G đã thay đổi căn bản thế giới. 2G đã giới thiệu một tiêu chuẩn kỹ thuật số hài hòa cho giọng nói và cho phép chuyển vùng và tin nhắn SMS đã trở nên phổ biến sau đó. 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 cực 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, trình điều khiển chính. 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 [6].
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 [7]. 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.1 minh họa giao tiếp D2D trong các mạng small cell dày đặc trong tương lai với các macro-cells, micro-cells, pico-cells và femto-cells. Đặc biệt, truyền thông của 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 [8]. 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. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Truyền thông D2D trong các multi-tier cells trong HetNets [8].2 Những thách thức kỹ thuật của truyền thông D2D trong mạng tế bào 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.1 Phát hiện thiết bị 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 [8]. 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. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Lựa chọn chế độ giao tiếp 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). Đó là In-band và Out-band.
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. - Chế độ dành riêng (Dedicated mode)/Overlay mode: Trong chế độ này, mạng di động có tài nguyên kênh phong phú để các DUE có thể sử dụng các tài nguyên chuyên dụng trực giao với các thiết bị người dùng tế bào (CUE). - Chế độ tái sử dụng (Reuse mode)/Underlay mode: Trong chế độ này, giao tiếp D2D sẽ chia sẻ cùng một tài nguyên với các CUE hiện có và do đó có thể gây nhiễu cho CUE. - Chế độ di động (Cellular mode): Hai UE sẽ giao tiếp dưới dạng CUE truyền thống, nghĩa là giao tiếp với nhau thông qua thiết bị trung gian BS.
Truyền thông D2D ở chế độ Outband được định nghĩa là truyền thông D2D sử dụng dải tần số khác với truyền thông di động thông thường, có thể là dải tần số của sóng vô tuyến, … GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 Truyền thông D2D Inband Outband Underlay Overlay Controlled Autonomous Hình 1. Phân loại truyền thông D2D (theo phổ tần số).3 mô tả phân loại chi tiết truyền thông D2D theo phổ tần số. Underlay Overlay In band D2D D2D D2D Di động Di động Phổ di động Phổ di động Thời gian Out band Truyền thông di động Truyền thông D2D Phổ di động Phổ ISM Hình 1.
Sơ đồ phân loại chi tiết truyền thông D2D. Chế độ Tái sử dụng Reuse mode/Underlay đạt được hiệu quả phổ cao hơn so với các chế độ giao tiếp khác, nhưng giao tiếp D2D trong chế độ chia sẻ tài nguyên này có thể gây nhiễu cho các UE di động và các UE D2D khác sử dụng tài nguyên vô tuyến di động. Mặt khác, chế độ Dedicated mode/Overlay mode hoàn toàn có thể tránh nhiễu do một số tài nguyên được dành riêng cho truyền thông D2D. Tuy nhiên, việc sử dụng phổ có thể rất kém trong chế độ chia sẻ tài nguyên này.
Các chế độ giao tiếp của D2D có tác động trực tiếp đến nhiễu trong mạng và do đó, nên lựa chọn chế độ giao tiếp cẩn thận sau nhiều phân tích. Trong giới hạn của Luận văn, ở đây luận văn chỉ tập trung nghiên cứu vấn đề nhiễu trong chế độ tái sử dụng của truyền thông D2D. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Bảo mật 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 độc hại (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. Khai thác nhiễu có thể được sử dụng như một trợ giúp để cung cấp thông tin liên lạc bí mật trong giao tiếp D2D, được giải thích trong [9].4 Quản lý nhiễu 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 Quản lý nhiễu trong truyền thông D2D Do sự xuất hiện của truyền thông D2D vào mạng di động tế bào, kiến trúc tế bào thay đổi và hiện bao gồm hai tầng [10]. Tầng thứ nhất là lớp macrocell thông thường, liên quan đến giao tiếp giữa BS và thiết bị. Tầng mới, được gọi là tầng thiết bị liên quan đến giao tiếp D2D. Hệ thống như vậy được gọi là kiến trúc hệ thống hai lớp hoặc di động.
Kiến trúc mới có sự cải thiện đáng kể về thông lượng, độ bao phủ, độ trễ end- to-end nếu được thiết kế cẩn thận [11]. Tuy nhiên, sẽ nảy sinh ra một số thách thức và vấn đề kỹ thuật cho cả thiết bị người dùng D2D (DUE) và thiết bị người dùng di động (CUE). Trong số những thách thức này, việc quản lý nhiễu giữa CUE và DUE trở GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 thành một trong những vấn đề quan trọng nhất đối với giao tiếp của D2D trong chế độ chia sẻ mà ở đó cùng một tài nguyên vô tuyến được sử dụng cho cả giao tiếp di động và D2D.