Nâng Cao Hiệu Quả Sử Dụng Tài Nguyên Mạng Mật Độ Siêu Cao Trong Hệ Thống 5G

Kiến trúc mạng 5G cần đáp ứng nhu cầu của xã hội di động và kết nối hoàn toàn. Sự gia tăng thiết bị kết nối mở ra dịch vụ mới và mô hình kinh doanh, tự động hóa các ngành công nghiệp. Ngoài ứng dụng tập trung vào con người, 5G hỗ trợ nhu cầu liên lạc của ứng dụng kiểu 'máy và máy'. Tóm lại, phạm vi yêu cầu tăng lên đáng kể so với công nghệ Mobile Broad Band (MBB) hiện tại. Tốc độ dữ liệu dao động từ rất thấp đến rất cao, độ trễ từ cực kỳ thấp đến không hạn chế, kích thước gói từ nhỏ đến lớn. 5G sẽ là hệ thống công nghệ đa truy nhập vô tuyến, tích hợp hiệu quả các khối xây dựng cơ bản.

Điện thoại di động là nền tảng công nghệ lớn nhất trong lịch sử. 3G giới thiệu khái niệm băng rộng di động, và 4G dẫn đến sự bùng nổ dữ liệu di động. Ngành công nghiệp viễn thông di động đang đi đúng hướng để đáp ứng thách thức dữ liệu di động 1000x. Tầm nhìn của 5G không chỉ cung cấp băng thông rộng tốt hơn, dung lượng cao hơn, tốc độ dữ liệu cao hơn với chi phí thấp hơn mà còn để giải quyết những thách thức hoàn toàn mới, kích hoạt các dịch vụ mới và kết nối các ngành mới. 5G hướng đến kết nối hầu như mọi thứ, vượt xa nhu cầu của con người hiện nay, để đáp ứng các yêu cầu cho các lớp dịch vụ mới, với mức độ tin cậy và độ trễ mới.

Mạng UDN đối mặt với nhiều thách thức. Thiết kế kiến trúc mạng cần đảm bảo hiệu quả và khả năng mở rộng. Quản lý tính di động trở nên phức tạp hơn do số lượng lớn các điểm truy cập. Quản lý nhiễu là một vấn đề lớn do mật độ triển khai cao. Việc sử dụng tài nguyên vô tuyến hiệu quả là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu tăng vọt về thông lượng. Các nghiên cứu mới tập trung vào tiết kiệm và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và năng lượng.

Có nhiều kiến trúc mạng được đề xuất cho UDN. Kiến trúc GPP HeNB sử dụng các trạm gốc nhỏ tại nhà. Kiến trúc tăng cường Small Cell cải thiện hiệu suất của các tế bào nhỏ. Kiến trúc UDN của METIS tập trung vào người dùng. Các kiến trúc này nhằm mục đích giải quyết các thách thức về dung lượng, tính di động và quản lý nhiễu trong mạng UDN.

Các định hướng nghiên cứu cho UDN bao gồm thiết kế hệ thống mạng tự tổ chức linh hoạt, xây dựng hệ thống mạng trục nhiều lớp, và phối hợp nhiều kỹ thuật truy nhập vô tuyến. Việc quản lý tính di động cũng được định hướng lại, lấy người dùng làm trung tâm, tích hợp lập trình phần mềm nhiều hơn dựa trên sự phát triển của hệ thống xử lí trong mạng lõi. Việc quản lý tài nguyên vô tuyến phải đối mặt với sự phức tạp và dày đặc của môi trường truyền thông nhưng vẫn phải đáp ứng yêu cầu tăng vọt về thông lượng.

Cơ chế paging hiện tại bao gồm hai giai đoạn: thiết bị người dùng (UE) lắng nghe paging và nhà mạng phát quảng bá paging. UE cần liên tục theo dõi các kênh paging để nhận thông báo từ mạng. Nhà mạng phát quảng bá paging để tìm gọi UE khi có dữ liệu hoặc cuộc gọi đến. Cơ chế này tiêu tốn tài nguyên vô tuyến và năng lượng, đặc biệt trong mạng UDN với số lượng lớn UE.

Một phương pháp để tối ưu hóa tài nguyên paging là tinh gọn bản tin paging. Nguyên lý hoạt động là giảm kích thước bản tin paging bằng cách loại bỏ thông tin không cần thiết hoặc sử dụng mã hóa hiệu quả hơn. Tính toán mô hình hệ thống cho phép đánh giá hiệu suất của phương pháp tinh gọn bản tin paging và xác định mức độ tiết kiệm tài nguyên.

Đề xuất cải tiến paging bao gồm các kỹ thuật như chia tách UE ID thành 2 phần và cải tiến lược bỏ MME code trong UE ID. Khảo sát và đánh giá hiệu suất cho thấy các cải tiến này có thể giảm đáng kể kích thước bản tin paging và tiết kiệm tài nguyên vô tuyến. So sánh tỉ lệ chiếm dụng tài nguyên hệ thống và mức tối ưu tài nguyên giữa các giá trị khác nhau cho thấy hiệu quả của các cải tiến.

Việc tối ưu hóa bản tin paging giúp giảm thời gian UE phải lắng nghe các kênh paging, từ đó giảm tiêu thụ năng lượng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị IoT hoạt động bằng pin. Các kỹ thuật như DRX (Discontinuous Reception) có thể được kết hợp với tối ưu hóa paging để tăng hiệu quả tiết kiệm năng lượng.

Việc tối ưu hóa paging giúp giảm tải cho hệ thống mạng 5G bằng cách giảm số lượng bản tin paging được phát quảng bá. Điều này giúp giải phóng tài nguyên vô tuyến cho các dịch vụ khác và cải thiện hiệu suất tổng thể của mạng. Các kỹ thuật như cell-specific paging có thể được sử dụng để giảm phạm vi phát quảng bá paging.

Các ứng dụng IoT có thể hưởng lợi lớn từ việc tối ưu hóa paging. Các thiết bị IoT thường có yêu cầu kết nối liên tục nhưng không cần truyền dữ liệu thường xuyên. Việc tối ưu hóa paging giúp giảm tiêu thụ năng lượng của các thiết bị IoT và kéo dài tuổi thọ pin. Các kỹ thuật như eDRX (extended Discontinuous Reception) và PSM (Power Saving Mode) có thể được sử dụng để tối ưu hóa paging cho các thiết bị IoT.

Trong tương lai, trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa paging. Các thuật toán AI và Machine Learning có thể được sử dụng để dự đoán nhu cầu paging và tự động điều chỉnh các tham số paging dựa trên điều kiện mạng thực tế. Điều này giúp cải thiện hiệu quả tối ưu hóa paging và giảm chi phí vận hành.

Việc tiêu chuẩn hóa các kỹ thuật tối ưu hóa paging là rất quan trọng để đảm bảo tính tương thích và khả năng triển khai rộng rãi. Các tổ chức tiêu chuẩn như 3GPP đang làm việc để phát triển các tiêu chuẩn cho tối ưu hóa paging trong mạng 5G. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn này giúp các nhà mạng triển khai các giải pháp tối ưu hóa paging một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí.