Luận văn Quản lý nhiễu truyền thông D2D trong mạng thông tin di động 5G

S) và L (khoảng cách giữa các cặp D2D). Họ kết luận rằng, tồn tại một giá trị ngưỡng D theo vị trí của cặp D2D để quyết định khi nào tài 14 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn nguyên UL hoặc DL nên được sử dụng lại cho giao tiếp D2D. Nếu D nhỏ hơn giá trị ngưỡng, chia sẻ tài nguyên DL được ưu tiên cho giao tiếp D2D. Mặt khác, nếu D lớn hơn giá trị ngưỡng, tài nguyên UL có lợi cho giao tiếp D2D. Tuy nhiên, hạn chế chính của phương pháp kiểm soát như vậy là nó sẽ dẫn đến việc sử dụng tài nguyên không hiệu quả do nó được thiết kế cho trường hợp xấu nhất. Để đảm bảo độ tin cậy của người dùng di động, các tác giả của [39] đề xuất một kế hoạch không gây ra sự cố ngừng hoạt động cho CUE. Họ tuyên bố rằng giả sử DUE biết về vị trí và trạng thái kênh của CUE là không khả thi trong một hệ thống thực. Do đó, họ thiết kế sơ đồ điều khiển công suất phân tán mà không có bất kỳ sự phối hợp nào từ bộ điều khiển trung tâm sử dụng các ước tính thống kê về mức tăng kênh giữa chính nó và eNB để tận dụng biên độ nhiễu được chỉ định của CUE. Ban đầu, các DUE thiết lập mức công suất phát của chúng theo cách sao cho việc truyền của chúng không vượt quá giới hạn nhiễu của CUE. Điều chỉnh công suất D2D có thể được thực hiện nếu biên độ nhiễu và ước tính mức tăng kênh giữa DUE và BS được biết đến. Sau đó, giao thức định tuyến nguồn động (DSR) được sử dụng giữa nguồn D2D và đích để khám phá tuyến đường single hop hoặc multihop giữa chúng. Bản thân PC (Power control) không phải là một phương án hiệu quả để xử lý nhiễu áp đặt cho DUE và nó nên được xem xét cùng với lựa chọn chế độ, lập lịch tài nguyên và điều chỉnh liên kết sẽ được giải thích trong các phần tiếp theo. 1.5.3 Phân bổ tài nguyên vô tuyến Phân bổ tài nguyên vô tuyến (RRA- Radio resource allocation) chủ yếu giải quyết các vấn đề nghiên cứu về cách phân bổ tối ưu tài nguyên tần số cho một nhóm hoặc tất cả các cặp D2D để tối ưu hóa một số số liệu hiệu suất. 1.5.3.1 Tái sử dụng tần số phân số (FFR) Tái sử dụng tần số phân số (FFR- Fractional frequency reuse) là một kỹ thuật quản lý nhiễu chéo giữa các lớp để giảm thiểu nhiễu lẫn nhau giữa CUE và DUE trong mạng di động hỗ trợ D2D. Ý tưởng cơ bản của sơ đồ này là phân các vùng cell thành các vùng không gian và nó cũng phân chia toàn bộ phổ tần số thành một số dải con. Do các dải tần cho phần bên trong cell không bị chồng lấn với các cell lân cận, nên có thể giảm nhiễu từ các cell lân cận. Một cơ chế được đề xuất là chia sẻ tần số sử dụng bốn nhóm tài nguyên (F1- F4) để giảm nhiễu giữa các lớp giữa CUE và DUE. Trong sơ đồ này, mỗi cell được chia thành hai vùng: bên trong cell và bên ngoài cell. Các dải tần số khác nhau được phân bổ cho CUE và DUE theo vị trí của chúng. Đầu tiên, vị trí 15 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn của DUE được xác định, nơi chúng nằm ở khu vực bên trong hoặc khu vực bên ngoài. Sau đó, nếu các DUE nằm ở vùng bên trong của eNB, chúng có thể sử dụng các dải tần mà các UE chuyển tiếp eNB không sử dụng trong cell hiện tại. Mặt khác, nếu các DUE nằm ở vùng bên ngoài, chúng có thể sử dụng lại các dải tần trừ các dải con được sử dụng bởi các UE chuyển tiếp eNB ở vùng ngoài cùng của cell. Hình 1.9. Phân bổ băng tần dựa trên FFR. Trong Mumtaz et al. (2014), một sơ đồ quản lý nhiễu khác cho mạng di động hỗ trợ D2D được trình bày dựa trên FFR để tránh nhiễu chéo giữa người dùng di động và người dùng D2D. Dải tần số khả dụng được phân bổ cho từng cell dựa trên FFR 3 thành phần được mô tả trong sơ đồ hình 1.9. Phạm vi bao phủ của cell được chia thành khu vực trung tâm cell (tương ứng với 63% tổng diện tích bao phủ cell) và khu vực lân cận cell, bao gồm ba vùng cho mỗi khu vực. Khu vực trung tâm cell có hệ số tái sử dụng là một, trong khi vùng cạnh của cell sử dụng hệ số tái sử dụng là ba. Toàn bộ dải tần được chia thành bốn phần và một trong số chúng được gán cho vùng trung tâm cell và phần còn lại của dải được gán cho ba vùng cạnh. Hình 1.9 cho thấy sự phân bổ tần số. Băng con X được sử dụng trong vùng trung tâm cell (C1, C2 và C3) và các băng con Y, Z và D được sử dụng tương ứng ở vùng R1, R2 và R3. Để giảm nhiễu giữa CUE và DUE, DUE chọn các băng con không được sử dụng trong khu vực phụ của người dùng di động. Đối với CUE, các băng con khác nhau được phân bổ cho từng khu vực phụ của cell LTE theo FFR. Ngoài ra, nếu DUE nằm trong khu vực trung tâm cell thì nó sẽ loại trừ các băng con đã được CUE sử dụng trong trung tâm cell cũng như băng tần được CUE sử dụng trong các khu vực phụ của khu vực hiện tại. Ý tưởng của họ là cường độ tín hiệu của hai băng con liên quan cao đến mức có thể gây nhiễu nghiêm trọng đến DUE ở khu vực phụ bên trong. Do cả hai cách tiếp cận được đề cập ở trên đều khai thác một phần cố định, nên chúng có khả năng làm thông lượng thấp đi do sử dụng tài nguyên băng thông không 16 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn hiệu quả. Để giảm nhiễu giữa các tầng phục vụ chia sẻ băng thông, có thể sử dụng phương pháp chia phần tài nguyên động theo tần suất hoặc thời gian. 1.5.3.2 Lý thuyết đồ thị Lý thuyết đồ thị đã được sử dụng để quản lý nhiễu trong lớp Underlay D2D trong một số công trình gần đây [31]; [32]. Một sơ đồ chia sẻ tài nguyên dựa trên biểu đồ nhận biết nhiễu đã được phát triển trong [32] để giảm nhiễu giữa các lớp trong DL. Đề án bao gồm hai giai đoạn; trong giai đoạn đầu tiên, BS trước tiên xây dựng một biểu đồ nhiễu tương ứng với cấu trúc liên kết mạng. Trong biểu đồ, mỗi đỉnh có ba thuộc tính: thuộc tính liên kết, thuộc tính tài nguyên và thuộc tính cụm. Trọng số của các cạnh của đồ thị (liên kết giữa hai đỉnh) được tính bằng tổng của nhiễu lẫn nhau giữa hai đỉnh. Trong giai đoạn thứ hai, một thuật toán gán tài nguyên được áp dụng để phân bổ RB cho các liên kết truyền thông di động và D2D khác nhau. Thuật toán hoạt động thông qua một tìm kiếm toàn diện và do đó có độ phức tạp cao. Trong [19] các tác giả đề xuất sử dụng phân bổ tài nguyên dựa trên biểu đồ màu pproach để giảm nhiễu giữa các lớp giữa CUE và DUE trong UL và tăng mức độ sử dụng phổ của hệ thống. Trong sơ đồ đề xuất, các chức năng bổ sung được thêm vào cho các UE; trong đó các máy phát D2D sử dụng cơ chế thông tin nhiễu đơn giản để phát hiện nhiễu do truyền dẫn di động đến truyền thông của D2D và gửi thông tin này đến eNB để thông báo về nhiễu trong vùng lân cận. Sau đó, eNB sử dụng thông tin này để xây dựng cấu trúc liên kết mạng bằng biểu đồ tranh chấp nút. Biểu đồ của cấu trúc liên kết được vẽ như sau: các đỉnh biểu thị các UE có tài nguyên được phân bổ (các ô UE) hoặc các cặp yêu cầu giao tiếp trong nội bộ, các cạnh thể hiện sự nhiễu giữa các đỉnh ngụ ý rằng các đỉnh được kết nối không thể sử dụng cùng một tài nguyên và các cạnh phụ kết nối các cell UE với nhau, trực quan hóa việc phân bổ tài nguyên chính. Sau khi tạo biểu đồ nhiễu, vấn đề phân bổ tài nguyên giữa CUE và DUE được giải quyết bằng cách thực hiện phân bổ tài nguyên thứ cấp không có nhiễu bằng cách sử dụng màu biểu đồ để tối đa hóa việc sử dụng phổ. 1.5.3.3 Mạng vô tuyến nhận thức Khai thác vô tuyến nhận thức dựa trên cảm biến kênh được cấp phép phân tán và đưa ra quyết định nhận biết nhiễu có thể được sử dụng trong các mạng di động hỗ trợ D2D để giảm thiểu nhiễu. Trong [42] một kế hoạch quản lý nhiễu chéo hiệu quả để tránh cả nhiễu từ CUE sang DUE và nhiễu từ DUE đến CUE trong một kịch bản trong đó một DUE chia sẻ tài nguyên với một CUE được đề xuất. DUE có khả năng cảm 17 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn nhận phổ vô tuyến và đo mức nhiễu của CUE trong quá trình truyền UL và truyền các giá trị này cho BS. Sau đó, BS sử dụng thông tin này trong sơ đồ phân bổ tài nguyên nhận biết nhiễu. Kết quả cho thấy hiệu suất cell tăng gấp ba lần. Một thuật toán phân bổ tài nguyên dựa trên nhận thức tập trung giữa CUE và nhiều DUE được trình bày trong [42] để giảm thiểu nhiễu xuyên cấp giữa CUE và DUE. Trong giai đoạn đầu tiên, họ mở rộng thuật toán công bằng tối đa được đề xuất để thực hiện phân bổ nguồn lực hợp lý cho các luồng di động UL và DL. Sau đó, trong giai đoạn thứ hai, một cách tiếp cận phân bổ kênh con heuristic cho các luồng D2D đã được tiến hành với bảo vệ tốc độ cho CUE. 1.6 Thách thức quản lý nhiễu trong mạng 5G hỗ trợ D2D Có một số thách thức và vấn đề mở cần được xem xét trong D2D để nó trở thành nhân tố hỗ trợ chính cho công nghệ 5G. Mặc dù đã có nhiều công việc được thực hiện về quản lý nhiễu trong giao tiếp D2D dựa trên các mạng kế thừa trước đó (WiMAX, LTE và LTE-A), quản lý nhiễu trong giao tiếp D2D trên mạng di động 5G trong tương lai vẫn còn là một chủ đề lớn cho việc nghiên cứu. 1.6.1 D2D trong giao tiếp mmWave Giao tiếp băng tần mmWave gần đây đã nhận được sự chú ý đáng kể vì là một trong những tính năng thiết yếu của mạng di động 5G. Các mạng di động 5G trong tương lai, dự kiến cơ sở hạ tầng sợi đồng truyền thống sẽ được thay thế bằng mạng lưới mmWave để cho phép 5G cung cấp khả năng triển khai nhanh chóng và kết nối giống như lưới. Giao tiếp mmWave hoạt động trên dải tần số lớn hơn (30 - 300 GHZ) và do đó nó có khả năng cung cấp tốc độ dữ liệu cực cao (hàng Gbps) cho các thiết bị di động, có thể cung cấp dung lượng mạng vượt trội. Tuy nhiên, giao tiếp băng mmWave có một số đặc tính lan truyền chính khác với băng tần vi sóng và dẫn đến những thách thức về mặt quản lý nhiễu. Hầu hết các công việc trước đây nhằm quản lý nhiễu bằng cách tối ưu hóa các thuật toán chia sẻ tài nguyên. Ngoài ra, dựa trên các khảo sát gần đây, các nghiên cứu gần đây về quản lý nhiễu trong truyền thông D2D xem xét sự nhiễu lẫn nhau của anten đa hướng. 1.6.2 Mật độ cell và giảm tải Một công cụ đơn giản nhưng nổi bật để tăng dung lượng mạng trong mạng di động 5G là mật độ mạng. Cách tiếp cận này nhằm tăng cường năng lực mạng đã được chứng minh qua nhiều thế hệ di động. Nhìn chung, ý tưởng tăng cường mạng để tăng cường hiệu suất cho thấy việc triển khai các cell phủ sóng nhỏ, ví dụ như picocells 18 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn (phạm vi dưới 100m) và femtocells (phạm vi như WiFi) gần với thiết bị đầu cuối dẫn đến điều kiện kênh thuận lợi hơn giữa máy phát và máy thu. Do đó, một lượng công suất truyền giảm có thể được sử dụng và dẫn đến việc giảm nhiễu đối với các thành phần mạng cùng tồn tại khác. Tuy nhiên, quản lý nhiễu là một trong những vấn đề khi tích hợp công nghệ D2D và các cell nhỏ trong lớp underlay trong giao tiếp D2D. Trong mạng không đồng nhất nhiều tầng này, các vấn đề về quản lý nhiễu và phân bổ tài nguyên cho việc chia sẻ phổ khó khăn hơn so với các vấn đề hiện có được đề xuất trong tài liệu cho các hệ thống một tầng truyền thống, bởi vì công suất truyền của mỗi BS là khác nhau. Ngoài ra, các mức độ nhiễu trong các tầng khác nhau là khác nhau do các hạn chế truy cập khác nhau (công khai, riêng tư, kết hợp, v.v.). Ngoài ra, để cải thiện hiệu quả phổ, sự nhiễu giữa các liên kết macro-cell, liên kết small-cell và liên kết D2D đều cần được xem xét và quản lý hiệu quả. 1.7 Kết luận Giao tiếp D2D có thể cung cấp nhiều lợi ích cho các mạng di động. Truyền thông D2D có thể được xem là một mô hình đầy hứa hẹn cho các mạng 5G thế hệ tiếp theo. Luận văn này đã cung cấp kiến thức về các kỹ thuật quản lý nhiễu hiện có có thể được sử dụng để giảm thiểu nhiễu trong các mạng di động với giao tiếp D2D. Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại cũng chỉ ra những vấn đề mới cần được giải quyết để kết hợp truyền thông D2D trong các mạng 5G trong tương lai. Hạn chế chính của các nghiên cứu hiện tại là không xem xét việc quản lý nhiễu đối với truyền thông D2D trong các kịch bản 5G tiềm năng, chẳng hạn như mmWave và mật độ cell. 19 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn CHƯƠNG 2: QUẢN LÝ NHIỄU TRONG TRUYỀN THÔNG D2D 2.1. Giới thiệu Truyền thông di động ngày càng phát triển đòi hỏi các yêu cầu cao hơn rất nhiều về tỷ lệ truyền dẫn, hiệu suất phổ và hiệu năng mạng. Trong khi các nguồn tài nguyên tần số vô tuyến là hữu hạn đã dẫn đến các nhu cầu nghiên cứu nhằm tìm ra những cách tận dụng tối đa các nguồn tài nguyên kênh một cách hiệu quả nhất. Truyền thông thiết bị - thiết bị (D2D) được coi là một trong những dịch vụ truyền thông trong tương lai để khắc phục các vấn đề hiện tại như quá tải trạm gốc [17]. Nhờ việc cải thiện hiệu suất phổ một cách đáng kể, truyền thông D2D được xem là một giải pháp đầy hứa hẹn để giải quyết những vấn đề này. Trong chương này, luận văn sẽ xem xét truyền thông D2D ở chế độ underlay dưới sự kiểm soát của trạm cơ sở. Truyền thông D2D ở chế độ underlay của các mạng di động có thể sử dụng các nguồn tần số được yêu cầu và truyền tải năng lượng, chia sẻ tài nguyên tần số với các thiết bị người dùng di động (CUEs) và giúp cải thiện hiệu suất phổ. Ngoài ra, truyền thông D2D sẽ góp phần giảm tải cho mạng di động, tăng thông lượng hệ thống, giảm mức tiêu thụ điện năng cho thiết bị đầu cuối di động và tăng tốc độ dữ liệu [18] [24]. Tuy nhiên, trong quá trình dùng chung tài nguyên giữa truyền thông D2D và mạng di động sẽ gây ra nhiễu. Phân bổ các nguồn tài nguyên ngẫu nhiên và nhiễu giữa truyền thông D2D và mạng di động cũng là ngẫu nhiên là một cách đơn giản để hạn chế nhiễu. Một phương pháp đơn giản khác là BS sẽ phân bổ tài nguyên và sau đó, các cặp D2D sử dụng chung nguồn tài nguyên với các CUEs cách xa mình. Phương pháp này có thể làm cho nhiễu giữa truyền thông D2D và mạng di động là nhỏ nhất có thể [17]. Trong hệ thống tồn tại 2 loại nhiễu chính: + Trong đường xuống (Downlink): Nhiễu từ thiết bị người gửi sử dụng truyền thông D2D (TUE - Transmitting User Equipment) tới các thiết bị người dùng di động (CUEs - Cellular User Equipments) xung quanh nó. Ngoài ra, ta cũng xét đến nhiễu gây ra bởi tín hiệu BS lên thiết bị người nhận của truyền thông D2D (RUE - Receiving User Equipment). + Trong đường lên (Uplink): Nhiễu từ các thiết bị người dùng di động (CUEs) xung quanh tới thiết bị người nhận sử dụng truyền thông D2D (RUE) và nhiễu từ TUE gây ra tại BS. 20 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn Ở biên tế bào, nhiễu giữa BS và người sử dụng truyền thông D2D có thể được coi là yếu. Trong chương này, luận văn xem xét phương pháp quản lý nhiễu dựa trên khu vực ngăn chặn nhiễu (ISA-Interference Suppression Area) được đề xuất để thực hiện việc quản lý nhiễu giữa truyền thông D2D và mạng di động [17]. Trước tiên, toàn bộ diện tích vùng phủ có thể được chia thành hai phần theo độ mạnh của nhiễu. Phần diện tích có nhiễu mạnh vào đường xuống và đường lên được định nghĩa là khu vực ngăn chặn nhiễu-ISA. Sau đó, quản lý năng lượng và phân bổ nguồn tài nguyên được áp dụng để giảm sự tác động của nhiễu. Ngoài ra, việc tính toán bán kính của ISA cũng được xem xét. Hiệu năng hệ thống tối ưu có thể đạt được bằng cách điều chỉnh phạm vi của ISA. Tiếp theo, luận văn cũng đề cập một phương pháp quản lý nhiễu khác để giảm nhiễu giữa truyền thông D2D và truyền thông di động thông thường đó là phương pháp dựa trên vùng hạn chế nhiễu (ILA- Interference Limited Area) [29]. 2.2 Phương pháp quản lý nhiễu ISA cho truyền thông D2D Underlay 2.2.1 Mô hình hệ thống Mô hình hệ thống được sử dụng là một mạng di động với truyền thông D2D và liên kết di động chia sẻ tài nguyên. Trong đó, có M CUEs và N cặp D2D được phân bố một cách ngẫu nhiên. Trong đường xuống, BS truyền tín hiệu tới CUEs, TUE truyền tín hiệu đến RUE. Trong đường lên, CUEs truyền tín hiệu tới BS, TUE vẫn truyền tín hiệu đến RUE [17]. Khoảng cách tối đa giữa TUE và RUE được cho sẵn. Hình 2.1 mô tả mô hình hệ thống của truyền thông D2D trong phương pháp ISA (khu vực ngăn chặn nhiễu). Trong mô hình, BS phân bổ kênh tài nguyên và điều khiển truyền tải năng lượng cho các liên kết di động và liên kết D2D. Ta giả định rằng các kênh là trực giao, và nhiễu chỉ tồn tại trong kênh nội bộ do chia sẻ kênh của truyền thông D2D và truyền thông di động. Tất cả các kênh tài nguyên bao gồm M kênh đường lên và M kênh đường xuống của người dùng di động (CUE) đều được phép chia sẻ cho người dùng D2D. 21 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn BS RUEN TUEN RUE1 TUE1 CUE1 CUEM Truyền dữ liệu Nhiễu Hình 2.1. Mô hình hệ thống của truyền thông D2D trong phương pháp ISA. Trong đó: BS: Trạm cơ sở. CUEk: Thiết bị người sử dụng di động thứ k TUEl: Thiết bị người gửi của cặp truyền thông D2D thứ l RUEl: Thiết bị người nhận của cặp truyền thông D2D thứ l. Hệ thống được khảo sát trên kênh chịu ảnh hưởng của suy hao trong không gian tự do và kênh pha đinh Rayleigh. Bên cạnh đó, mô hình suy hao đường truyền phụ thuộc vào khoảng cách được sử dụng để đo sự mất mát năng lượng của việc truyền tín hiệu. 2.2.2 Các công thức tính toán Truyền thông D2D bên cạnh sự phụ thuộc vào khoảng cách, mô hình suy hao đường truyền cũng được xem xét để tính toán sự mất mát năng lượng truyền dẫn. Độ lợi kênh bao gồm suy hao đường truyền và pha đinh được mô tả trong công thức dưới đây [17]. 22 𝐺𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘(𝑅𝑈𝐸𝑘𝑙)= 𝑃𝐿𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘(𝑅𝑈𝐸𝑙) ℎ𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘(𝑅𝑈𝐸𝑘𝑙) 𝐺𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆(𝑅𝑈𝐸𝑙)= 𝑃𝐿𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆(𝑅𝑈𝐸𝑙) ℎ𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆(𝑅𝑈𝐸𝑙) 𝐺𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈𝐸𝑙(𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘)= 𝑃𝐿𝑇𝑈𝐸,𝑅𝑈𝐸(𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘) ℎ𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,(𝑅𝑈𝐸𝑙(𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘) (2.1) Trong đó: 𝐺𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘(𝑅𝑈𝐸𝑘𝑙): độ lợi kênh (gain) từ BS tới CUE thứ k (hoặc RUE thứ l ) trên kênh tài nguyên thứ k. 𝐺𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆(𝑅𝑈𝐸𝑙): độ lợi kênh từ CUE thứ k tới BS (hoặc RUE thứ l). 𝐺𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈𝐸𝑙(𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘) : độ lợi kênh từ TUE thứ l tới RUE thứ l (hoặc BS, CUE thứ k) trên kênh tài nguyên thứ k. ℎ𝑖𝑗: là hệ số kênh pha đinh. 𝑃𝐿𝑖𝑗: là suy hao đường truyền từ i đến j . l: số cặp D2D, chạy từ 1 đến N Theo công thức tính suy hao đường truyền trong không gian tự do Friis, ta có: (2.2) Trong đó: Pt: là công suất phát của thiết bị phát. Pr: là công suất thu được tại thiết bị thu. d: là khoảng cách từ i đến j. 𝜆: là độ dài bước sóng. ➢ Trong đường xuống (Downlink), BS truyền tín hiệu tới CUEs, TUE truyền tín hiệu tới RUE. RUE bị gây nhiễu bởi BS và các CUE bị gây nhiễu bởi TUE. Giả sử mảng rd( M, N) biểu diễn trạng thái chia sẻ kênh tài nguyên giữa các cặp D2D và các liên kết di động ở đường xuống, rd(k,l) = 1 nghĩa là cặp D2D thứ l chia sẻ cùng tài nguyên với liên kết di động thứ k và rd(k,l) = 0 nghĩa là chúng không chia sẻ cùng kênh tài nguyên. Ở đây giả thiết các cặp truyền thông D2D sử dụng tài nguyên phổ tần số khác nhau. SINR của CUE thứ k được tính như sau: 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑈𝐸𝑘 𝐷𝐿 = 𝑃𝐵𝑆𝐺𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘 ∑ ∑ 𝑟𝑑(𝑘, 𝑙)𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙𝐺𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑈𝐸𝑘 𝑀 𝑘=1 𝑁 𝑙=1 + 𝜎 2 (2.3) Trong đó: 𝑃𝐵𝑆: là công suất phát của BS. ( ) 2 10 1010log 10log 4 t ij r P PL dB P d       = = −       23 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 𝐺𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘: là độ lợi kênh từ BS tới CUE thứ k trên kênh tài nguyên thứ k. 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙: là công suất phát của TUE thứ l. 𝜎2: là công suất tạp âm Gaussian. Từ công thức (2.2) và (2.3) ta có: 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑈𝐸𝑘 𝐷𝐿 = 𝑃𝐵𝑆 𝑃𝐵𝑆 𝑃𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘 ℎ𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘 ∑ ∑ 𝑟𝑑(𝑘, 𝑙)𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙𝐺𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑈𝐸𝑘 𝑀 𝑘=1 𝑁 𝑙=1 + 𝜎 2 (2.4) Xem xét việc phân bổ tài nguyên, SINR của RUE trong kênh tài nguyên thứ k được đưa ra trong công thức (2.4). 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑅𝑈𝐸,𝑘𝑙 𝐷𝐿 = 𝑟𝑑(𝑘) ∑ 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈𝐸𝑙 ℎ𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈𝐸𝑙 ∑ 𝑃𝐵𝑆𝐺𝐵𝑆,𝑅𝑈𝐸𝑘𝑙 + 𝜎 2 (2.5) Trong đó: 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙: là công suất phát của TUE thứ l. 𝑃𝐵𝑆: là công suất phát của BS. 𝑃𝐵𝑆,𝑈𝐸𝑘: là công suất thu của CUE thứ k. 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈𝐸𝑙: là công suất thu của TUE thứ k. ➢ Trong đường lên, CUEs truyền tín hiệu tới BS và TUE truyền tín hiệu tới RUE. Theo đó, RUE bị gây nhiễu bởi CUEs và BS bị gây nhiễu bởi TUE. Mảng ru(M,N) biểu diễn trạng thái chia sẻ kênh tài nguyên giữa các cặp D2D và liên kết di động, ru(k,l) = 1 nghĩa là cặp D2D thứ l chia sẻ cùng tài nguyên với liên kết di động thứ k và ru(k,l) = 0 nghĩa là chúng không chia sẻ cùng tài nguyên. SINR của BS được cho trong công thức (2.5): 𝑆𝐼𝑁𝑅𝐵𝑆 𝑈𝐿 = ∑ 𝑃𝑈𝐸𝑘 𝑃𝑈𝐸𝑘 𝑃𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆 ℎ𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆 𝑀 𝑘=1 ∑ ∑ (𝑟𝑢(𝑘, 𝑙)𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙𝐺𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝐵𝑆) + 𝜎 2𝑀 𝑘=1 𝑁 𝑙=1 (2.6) Trong đó: 𝑃𝑈𝐸𝑘,𝐵𝑆: là công suất thu của BS. 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙: là công suất phát của TUE thứ l tới BS trong kênh tài nguyên thứ k. SINR của RUE thứ l trong kênh tài nguyên thứ k được cho bởi công thức: 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑅𝑈𝐸,𝑘𝑙 𝑈𝐿 = 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈E𝑙 ℎ𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑅𝑈E𝑙 𝑟𝑢(𝑘, 𝑙)𝑃𝑈𝐸𝑘𝐺𝑈𝐸𝑘,𝑅𝑈𝐸𝑘𝑙 + 𝜎 2 (2.7) 24 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn Khi đó, dung lượng của hệ thống được tính bởi công thức: 𝐶 = 𝐶𝑈𝐿 + 𝐶𝐷𝐿 𝐶𝐷𝐿 = ∑ log2(1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑈𝐸𝑘 𝐷𝐿 ) + ∑ log2(1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑅𝑈𝐸,𝑘𝑙 𝐷𝐿 )𝑁𝑙=1 𝑀 𝑘=1 𝐶𝑈𝐿 = log2(1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅𝐵𝑆 𝑈𝐿) + ∑ ∑ log2(1 + 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑅𝑈𝐸,𝑘𝑙 𝑈𝐿 )𝑀𝑘=1 𝑁 𝑙=1 (2.8) Trong đó: 𝐶𝐷𝐿 : là dung lượng hệ thống trong đường xuống (Downlink). 𝐶𝑈𝐿 : là dung lượng hệ thống trong đường lên (Uplink). Do đó, mục tiêu của quản lý nhiễu là tìm mảng rd(M,N) và ru(M,N) để tối đa hóa dung lượng của hệ thống. 2.2.3 Xây dựng khu vực ngăn chặn nhiễu (ISA) Đặc điểm của truyền thông D2D là khoảng cách truyền ngắn và công suất phát thấp. Do đó, nhiễu tạo ra bởi truyền thông D2D là khá hạn chế. Nếu thiết lập quản lý tài nguyên được xử lý ở khu vực có nhiễu nghiêm trọng, phân bổ nguồn tài nguyên trực giao cho cặp D2D và CUEs bị nhiễu, nhiễu từ truyền thông D2D sang mạng di động sẽ giảm [17]. Do đó, khu vực ngăn chặn nhiễu ISA được định nghĩa cho cặp D2D để chỉ ra khu vực có nhiễu nghiêm trọng. CUEs và các cặp D2D trong cùng ISA sẽ gây nhiễu nghiêm trọng cho nhau, và yêu cầu các nguồn tài nguyên trực giao. Trong đường xuống, năng lượng nhiễu nhận được tại CUE thứ k là [5]: 𝜂𝑈𝐸𝑘(𝑑𝑇𝑈𝐸𝑙,𝑈𝐸𝑘) = { 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑘𝑙,𝑈𝐸𝑘 . ( 𝜆 4𝜋𝑑𝑇𝑈𝐸𝑙,𝑈𝐸𝑘 ) 𝛼 0 𝑑𝑇𝑈𝐸,𝑈𝐸𝑘 > 𝑅𝐷𝐿 𝑑𝑇𝑈𝐸,𝑈𝐸𝑘 ≤ 𝑅𝐷𝐿 (2.9) Trong đó: 𝑑𝑇𝑈𝐸𝑙,𝑈𝐸𝑘: là khoảng cách giữa TUE thứ l và CUE thứ k. 𝛼: là hệ số suy hao đường truyền. 𝜆: độ dài bước sóng của tần số phát. 𝑅𝐷𝐿: là bán kính của ISA trong đường xuống (𝐼𝑆𝐴𝐷𝐿). 𝑃𝐷𝐿: là mức năng lượng ngưỡng được xác định trước của tín hiệu nhận từ cặp D2D đến CUEs. Khi đó, khoảng cách tối thiểu giữa TUE và CUE để nhiễu gây ra bởi TUE đến CUE có thể chấp nhận được là 𝑅𝐷𝐿, 𝑅𝐷𝐿 được tính bằng công thức: 25 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 𝑅𝐷𝐿 = 𝜆 4𝜋( 𝑃𝐷𝐿 𝑃𝑇𝑈𝐸𝑙 ) 1 𝛼 (2.10) Tương tự, bán kính của ISA trong đường lên ( ) được tính bằng công thức sau [5]: 𝑅𝑈𝐿 = 𝜆 4𝜋( 𝑃𝑈𝐿 𝑃𝑈𝐸𝑘 ) 1 𝛼 (2.11) Trong đó, là mức năng lượng ngưỡng được xác định trước của tín hiệu nhận từ CUE tới RUE. Số lượng kênh tài nguyên có thể được sử dụng cho truyền thông D2D phụ thuộc vào bán kính của ISA. Vì và lần lượt phụ thuộc vào , và , cho nên BS có thể điều chỉnh bán kính của ISA bằng cách thiết lập các thông số liên quan. Hình 2.2 minh họa khu vực ngăn chặn nhiễu. RUE TUE CUE RDL RUL Khu vực ngăn chặn nhiễu RUE TUE CUE RDL RUL TUE Hình 2.2. Khu vực ngăn chặn nhiễu Các người dùng di động CUE nằm trong khu vực ngăn chặn nhiễu (biểu diễn bởi hai hình tròn màu xanh như trong hình vẽ) sẽ không được phân bổ tài nguyên cho cặp truyền thông D2D. 2.2.4 Điều khiển công suất Trong mô hình hệ thống được đề cập trên Hình 2.1, CUEs và cặp D2D cùng tồn tại trong hệ thống và cùng chia sẻ kênh tài nguyên [17]. Để đảm bảo truyền thông D2D, công suất phát của TUE ( ) nên được kiểm soát càng nhiều càng tốt. Mặt ULISA ULR ULP DLR ULR DLP TUEP ULP kUEP TUEP 26 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn khác, nếu công suất phát của TUE ( ) quá nhỏ thì truyền thông D2D sẽ bị gây nhiễu bởi mạng di động, ngược lại, nếu công suất phát của TUE ( ) quá lớn sẽ gây nhiễu nghiêm trọng cho truyền thông di động. Do đó, nên được kiểm soát ở một mức hợp lý. Trong luận văn này sẽ thiết lập thông số ở đường xuống. Một mặt, nhiễu từ BS tới truyền thông D2D ở đường xuống có thể được bù lại hiệu quả bằng cách điều khiển công suất. Mặt khác, nhiễu từ CUEs tới cặp D2D trong đường lên có liên quan đến sự phân bố của CUEs, nó là hoàn toàn ngẫu nhiên và không dễ kiểm soát. Để quyết định công suất truyền tải của TUE ( ), BS thiết lập một mức SINR ngưỡng 𝜂 và công suất truyền tải tối đa của TUE ( ). Để đảm bảo chất lượng của truyền thông D2D, nên đáp ứng mức SINR ngưỡng càng nhiều càng tốt trên cơ sở không vượt quá mức công suất truyền tải tối đa của TUE. SINR của RUE thứ l trong kênh tài nguyên thứ k phải thỏa mãn điều kiện: SINR𝑅𝑈�