CHƯƠNG III: TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG 5G SIÊU DÀY ĐẶC
3.3. Truyền video trên mạng 5G siêu dày đặc
xung quanh, cụ thể là từ các MBS.
Tuy nhiên, 5G UDN vẫn còn những thách thức về quá trình sử dụng và khai thác tài nguyên cũng như các đặc trưng như: 1) kết nối dày đặc của số lượng lớn các thiết bị di động; 2) phạm vi truy cập và lưu lượng truy cập khác nhau tại các vị trí khác nhau, điều đó có thể làm mất cân bằng hiệu suất, quyền hạn truy cập của các thiết bị, và sự không công bằng trong cung cấp dịch vụ; 3) những giới hạn truy cập riêng hoặc chung ở các tầng khác nhau sẽ tạo ra nhiều mức can nhiễu khác nhau; 4) vấn đề ưu tiên truy cập các kênh ở các tần số khác nhau và ưu tiên trong các chiến lược phân bổ tài nguyên; 5) sự giao tiếp trong truyền thông D2D có thể ảnh hưởng lẫn nhau và làm nhiễu và gây ra gián đoạn quá trình truy cập.
Để khắc phục các thách thức nêu trên, 5G UDN phải thiết kế và xây dựng đảm bảo các yếu tố gồm: 1) cải tiến giao thức và kiến trúc mạng để tối ưu hóa dữ liệu và điều khiển luồng dữ liệu, quản lý di động và thủ tục điều khiển báo hiệu, những cải tiến này sẽ làm giảm độ trễ và chi phí tổng thể; 2) điều khiển tránh nhiễu và phối hợp giữa các tế bào và giữa các tầng nhằm quản lý nhiễu và cơ chế phối hợp khác giữa các tế bào và các tầng, tăng thông lượng toàn hệ thống và đảm bảo trải nghiệm của người dùng; 3) nâng cao hiệu quả năng lượng nhằm tiết kiệm năng lượng mạng và năng lượng MU; 4) thiết kế mạng siêu dày đặc có khả năng tự tổ chức nhằm giải phóng gánh nặng của nhà khai thác để tối ưu hóa mạng và tăng tính linh hoạt khi triển khai và vận hành.
Như vậy, các nghiên cứu để đưa ra các giải pháp nhằm khắc phục các vấn đề nêu trên mà 5G UDN đang gặp phải là cấp thiết để nâng cao chất lượng mạng di động nhằm cải thiện sự hài lòng của người dùng, cũng như tối ưu sử dụng nguồn tài nguyên sẵn có trong mạng di động.
Hình 3. 4 - Mô hình điều khiển truyền video trong mạng 5G UDN [15]
Trong mô hình này, một MBS quản lý một khu vực gồm các SBS và MU.
Các MU có thể nhận luồng video từ 3 tầng gồm: từ MBS, từ SBS, hoặc từ các MU khác thông qua truyền thông D2D. Quá trình điều khiển chọn các tầng được thực hiện bởi MBS. Một MU nhận lu ồng video từ tầng nào sẽ tùy thuộc và các thuộc tính vật lý của kênh truyền (khoảng cách và chất lượng kênh truyền) từ MBS và SBS đến MU, từ MU này đến MU khác ở lớp vật lý (physical layer), cũng như tùy thuộc vào mối quan hệ xã hội giữa các MU ở lớp xã hội (social layer). Các thông số của mạng cũng như các chỉ số về chất lượng và tính công bằng dịch vụ được phản hồi về MBS để thực hiện quá trình điều khiển được tối ưu.
Với mô hình truyền video trong 5G UDN nêu trên, video được truyền từ MBS đến MU qua kênh truyền thông thường với tần số riêng được chỉ định (cellular links) và video được truyền từ SBS đến MU thông qua kênh truyền được thiết lập bằng kỹ thuật điều khiển phân chia kênh và tránh can nhiễu (interference cancellation links) [14]. Tuy nhiên, để video được truyền từ MU này đến MU khác, các MU được phân ra làm 3 loại: 1) MU chấp nhận chia sẻ tài nguyên phổ tần, là tài nguyên tần số kênh truyền xuống (downlinks) thông thường từ MBS đến nó, được gọi là người dùng chia sẻ (SU – Sharing User); 2) MU đã lưu trữ video được yêu cầu trước đó, được gọi là người dùng hỗ trợ lưu trữ (CH – Caching Helper); và người dùng yêu cầu video (RU – Requesting User). Như vậy, video sẽ được truyền từ CH đến RU thông qua truyền thông
D2D (D2D links) bằng cách dùng lại kênh truyền xuống được chia sẻ bởi SU.
Đối với truyền thông D2D từ CH đến RU dùng lại kênh truyền xuống được chia sẻ bởi SU, việc truyền phát của CH đến RU sẽ gây can nhiễu (interference links) lên SU và việc truyền phát của MBS đến SU sẽ gây can nhiễu lên RU. Do đó, trong hầu hết các bài toán quản lý điều khiển chia sẻ tài nguyên kênh truyền xuống, chất lượng dịch vụ của SU phải được đảm bảo trong quá trình SU chia sẻ tài nguyên cho truyền thông D2D từ CH đến RU.
Khi có các RU yêu cầu các video, MBS sẽ điều khiển: 1) chọn lựa các thiết bị ở tầng nào (hoặc chính nó, hoặc các SBS, hoặc các CH) và 2) các SU nào sẽ chia sẻ tài nguyên kênh truyền xuống của nó cho CH thực hiện truyền thông D2D, để truyền video đến RU đạt được hiệu suất hệ thống cao nhất. Để hiểu rõ hơn về truyền video trong 5G UDN, các mô hình và cơ chế truyền từ MBS hoặc SBS, truyền D2D, và truyền phối hợp đa tầng, được tác giả trình bày như sau:
3.3.1. Truyền từ trạm cơ sở
Truyền thông từ MSB hoặc SBS là cơ chế đơn giản và hiệu quả để cung cấp VAS cho MU. Đây là một hệ thống truyền thông di động điển hình, MBS hoặc SBS phát tín hiệu sóng vô tuyến (đã được điều chế và mã hóa theo các tiêu chuẩn của mạng di động) thông qua anten phát. Các MU là các máy thu các tín hiệu vô tuyến thông qua anten thu, sau đó giải điều chế và thu nhận nội dung.
Trong mô hình này, các video phổ biến thường giả định được lưu trữ tại MBS nhờ vào năng lực lưu trữ cao. Trong khi đó, các SBS với năng lực lưu trữ giới hạn sẽ được điều khiển chọn lựa lưu trữ hợp lý để phục vụ MU một cách tốt nhất. Tuy nhiên, việc thực hiện truyền video không có sự phối hợp điều khiển chọn lựa giữa MBS và SBS sẽ không cung cấp cho MU một giải pháp linh động để VAS đạt chất lượng cao cũng như không tận dụng hiệu quả tài nguyên dung lượng lưu trữ của hệ thống
3.3.2. Truyền D2D
Truyền thông D2D trong phạm vi gần, không thông qua MBS và SBS, nếu được tận dụng sẽ làm giảm đáng kể lưu lượng dữ liệu tại các tuyến trục (backhaul links) của cả MBS và SBS. Có hai chế độ truyền thông D2D gồm: chế độ ngoài băng tần và chế độ trong băng tần. Chế độ ngoài băng tần yêu cầu tài nguyên phổ trực giao nhiều hơn, nên nó không nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu so với chế độ trong băng tần, trong đó, MU có thể chia sẻ tài nguyên phổ của chúng để thiết lập các phiên truyền thông D2D [15], [16], [14], cụ thể như sau:
1) Chế độ ngoài băng tần (outband): Truyền thông D2D diễn ra trong băng
tần không được cấp phép, ví dụ: băng tần ISM. Điển hình, Wi-Fi Direct [17] đã nổi lên như một ứng cử viên tiềm năng cho truyền thông D2D ngoài băng tần.
Tuy nhiên, chế độ này yêu cầu khả năng tương thích phần cứng giữa các thiết bị giao tiếp. MBS cung cấp tín hiệu điều khiển nhưng giao tiếp thực tế giữa các thiết bị diễn ra trong phổ không được cấp phép. Mặc dù truyền thông D2D ngoài băng tần tránh được can nhiễu từ băng tần được cấp phép, nhưng sự can thiệp giữa các thiết bị liên quan dẫn đến vấn đề xử lý nhiễu ngoài băng tầng cũng không kém phức tạp.
2) Chế độ trong băng tần (inband): Truyền thông D2D diễn ra trong phổ tần của mạng di động được cấp phép. Truyền thông D2D trong băng tần cho hiệu quả sử dụng tài nguyên phổ tần tốt hơn nhờ cơ chế quản lý và điều khiển chia sẻ phổ tần được cấp phép giữa các MU. Cơ chế quản lý và điều khiển chất lượng dịch vụ được triển khai bởi MBS, giúp chống lại các vấn đề can nhiễu [18].
Một vấn đề không kém quan trọng của truyền thông D2D trong VAS đó là ta cần phải khai thác lợi ích của việc các video đã được lưu trữ trong nhiều MU của 5G UDN [19], [20]. Các kỹ thuật lưu trữ trong các thiết bị người dùng di động cho phép các VAS đưa nội dung video đến gần MU hơn để nâng cao chất lượng dịch vụ [21], [22], [23]. Ngoài ra, việc truyền thông D2D có thể thực hiện qua đa chặng (multi-hop) để tận dụng nhiều hơn nữa các video được lưu trữ nhằm nâng cao chất lượng của VAS.
3.3.3. Truyền phối hợp đa tầng
Với kiến trúc đa tầng, 5G UDN cung cấp không gian mạng và độ phủ sóng rộng hơn nhờ cộng tác của các SBS trung gian ở giữa cũng như các MU. Trong đó, các tầng trên sẽ sử dụng dải phổ tần cao hơn, tín hiệu mạnh hơn với tốc độ truyền cao hơn. Kiến trúc này cho phép kết hợp linh hoạt tài nguyên sẵn có của mạng và tài nguyên của MU chia sẻ để đảm bảo được kết nối tốc độ cao trong 5G UDN.
Để đưa được video đến người dùng yêu cầu với chất lượng đảm bảo và thỏa mãn chất lượng trải nghiệm, cần phải điều khiển phối hợp tất cả các phần tử trong mạng nhằm tận dụng tốt nhất tài nguyên sẵn có. Nghĩa là, khi RU yêu cầu video từ nhà cung cấp dịch vụ, thì video có thể truyền trực tiếp từ MBS đến RU;
hoặc được phối hợp truyền từ MBS, SBS, SU và CH, gọi là đa tầng [24]– [25];
hoặc truyền qua nhiều chặng D2D.
Bên cạnh đó, truyền video cũng sử dụng giải pháp về quản lý tài nguyên, cụ thể là hiệu suất của các kỹ thuật lập lịch khác nhau. Hiện nay, mạng 5G đều chạy trên nền tảng IP, rất khó để phân biệt các loại hình dịch vụ được cung cấp.
Hơn nữa cấu trúc hiện tại của mạng 5G chưa hỗ trợ việc phân loại các dịch vụ với nhau. Do đó, phương pháp lập lịch chủ yếu vẫn là dựa theo phương pháp Lập lịch công bằng theo tỷ lệ hoặc Lập lịch CQI tốt nhất. Các thuật toán hiện tại đều sử dụng lại các đề xuất của mạng 4G, việc tối ưu cho mạng 5G còn chưa được nghiên cứu sâu. Vì vậy, trong luận văn này, tác giả sẽ chỉ tập trung vào tối ưu thuật toán Lập lịch công bằng theo tỷ lệ để tối ưu việc truyền video trong môi trường trong nhà. Đây là môi trường nhỏ, đường truyền ngắn. Tuy nhiên, do có nhiều vật cản nên đường truyền giữa UE và trạm gốc gNB không phải lúc nào cũng là đường truyền thẳng (Light of Sight-LOS) mà còn là đường truyền Non – Light of Sight (NLOS).
Tổng kết chương III
Chương này đã làm rõ về nhu cầu của mạng 5G hiện nay trên thế giới cũng như tại Việt Nam; đã diễn giải về thuật ngữ mới xuất hiện trong mạng 5G đó là Mạng 5G siêu dày đặc.
Bên cạnh đó, nội dung chương đã đưa ra các cách thức truyền video trong mạng 5G siêu dày đặc từ nhà cung cấp đến người sử dụng. Từ đó, các phương pháp tối ưu hiệu suất truyền video trong mạng 5G siêu dày đặc sẽ tiếp tục được trình bày trong các chương tiếp theo.
CHƯƠNG IV:
TỐI ƯU HIỆU SUẤT TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG 5G SIÊU DÀY Lập lịch là quá trình phân bổ động tài nguyên vật lý giữa các UE dựa trên một số bộ quy tắc, tức là thuật toán lập lịch. Người lập lịch có thể sử dụng các thuật toán khác nhau để quyết định người dùng nào sẽ được lên lịch và tài nguyên nào sẽ được phân bổ cho người dùng đã lên lịch. Những tài nguyên này có thể tính đến các thông số khác nhau, chẳng hạn như: Thông lượng; Độ trễ; Tỷ lệ mất gói tin; Chỉ số chất lượng kênh truyền. Một số các thuật toán cơ bản của kỹ thuật lập lịch cho mạng 5G được mô tả dưới đây.
4.1. Các kỹ thuật lập lịch 4.1.1. Lập lịch vòng tròn
Phương pháp đơn giản nhất để phân bổ tài nguyên cho người dùng là lên lịch đến lượt chúng mà không cần xem xét chất lượng kênh. Lập lịch vòng tròn là bộ lập lịch công bằng theo nghĩa là mỗi người dùng được phân bổ như nhau.
4.1.2. Lập lịch theo chỉ số chất lượng kênh tốt nhất
Như tên của nó, chiến lược lập lịch này chỉ định tài nguyên cho người dùng nhằm đạt các điều kiện liên kết vô tuyến tốt nhất. Phương pháp này còn được gọi là MAX SINR hoặc MAX C/I lập lịch. Rõ ràng là kiểu lập kế hoạch này có thông lượng tốt nhất. Xét về mặt toán học, nó lên lịch cho người dùng j nào đó:
= arg ( ( )) (1)
Trong đó, ( ) là tốc độ dữ liệu tức thời mà người dùng i trải qua.
Nhược điểm chính của phương pháp này là thiếu tính công bằng. Vì khi Thiết bị Người dùng (UE) ở xa Trạm gốc và tính di động thấp, có thể không bao giờ được lập lịch.
4.1.3. Kết hợp Lập lịch vòng tròn và Lập lịch theo chỉ số chất lượng kênh tốt nhất
Để thiết lập sự cân bằng giữa thông lượng và sự công bằng, sử dụng một thuật toán hoạt động ở đâu đó giữa Lập lịch vòng tròn và Lập lịch theo chỉ số chất lượng kênh tốt nhất. Trong LTE, một cá nhân bao gồm 10 khung con, mỗi khung bao gồm hai khe và mỗi khe lần lượt bao gồm 6 hoặc 7 ký hiệu OFDM.
Bằng cách kết hợp hai phương pháp lập lịch được đề cập ở dạng đơn giản nhất để lập lịch cho từng vị trí trong số hai vị trí trong khung phụ theo Lập lịch vòng tròn và Lập lịch theo chỉ số chất lượng kênh tốt nhất. Nó có nghĩa là các tài nguyên hoặc các ký hiệu OFDM trong vị trí đầu tiên trong khung phụ được lên lịch vòng tròn và những người trong vị trí thứ hai được lên lịch để có thông
lượng tối đa.
4.1.4. Lập lịch công bằng theo tỷ lệ
Bộ lập lịch PF [26] nhằm mục đích cung cấp sự cân bằng tối ưu giữa thông lượng và công bằng. Nó dựa trên giả định rằng gNodeB nhận phản hồi CQI từ người dùng. Các UE với giá trị công bằng tỷ lệ cao nhất có ưu tiên phân bổ tài nguyên kênh. Bộ lập lịch PF hoạt động tốt khi chất lượng kênh ổn định. Phương trình ưu tiên cho UE k trong hàng đợi được cho bởi
= arg ( )
( ) (2)
Trong đó, ( ) là tốc độ dữ liệu hiện tại và ( ) là tốc độ dữ liệu trung bình trong quá khứ.
( ) =
1 ( 1) + ( ), is scheduled
1 ( 1), is not scheduled (3) Trong đó, là Chu kỳ truyền dữ liệu không đổi.
Tuy nhiên, trong môi trường công nghiệp nhiều phân tán, chất lượng kênh truyền thông mmWave biến động mạnh. Nếu một UE chuyển từ vị trí tầm nhìn LOS sang vị trí NLOS, tốc độ dữ liệu hiện tại ( ) giảm xuống. Tỷ lệ trung bình ( ) giảm xuống bởi 1 , là một mức giảm rất nhỏ so với sự giảm của ( ) . Do đó, mức độ ưu tiên của UE giảm liên tục. Trong khi đó, chất lượng kênh của NLOS UE này là tệ hơn. Nó chỉ có thể truyền qua sơ đồ điều chế thấp hơn. Những tác động tiêu cực này gây ra độ trễ và thông lượng kém hiệu suất của NLOS UE này. Bộ lập lịch này không hiệu quả chất lượng kênh dao động nhanh chóng.
Để khắc phục những hạn chế của bộ lập lịch PF, một số nghiên cứu đã dẫn đến việc sửa đổi lịch trình PF. Phương trình ưu tiên đã sửa đổi của người dùng k được khái quát thành:
= arg ( )
( ) (4)
trong đó α và β đại diện cho trọng số theo cấp số nhân của dòng điện và tốc độ dữ liệu trung bình trong phương trình ưu tiên. Cụ thể, phương trình về PF khi α = β = 1.
Trong một số nghiên cứu đã thực hiện, H. Kim và cộng sự [27] đặt một số mũ cố định α liên quan đến thông lượng hiện tại, làm tăng thông lượng hình thức cũng như đảm bảo hiệu suất trong một phạm vi.
Dựa trên thước đo công bằng tỷ lệ; S.-B. Lee và cộng sự [28] đã cố gắng thay đổi chỉ số trình tự để sử dụng kênh tốt hơn.
Cách tiếp cận được đề xuất bởi N. Bechir và cộng sự [29] lập lịch trình tài nguyên kênh cho các UE chưa được phân phối trước đó để duy trì sự công bằng.
Tuy nhiên, những số mũ được sửa đổi này thành nâng cao hiệu suất công bằng là tĩnh. Họ không thể điều chỉnh các chiến lược tương ứng với các điều kiện giao tiếp.
G. Aniba and S. Aissa và cộng sự [30] đã giới thiệu một tham số động để cập nhật số mũ α, phụ thuộc vào các giá trị thông lượng rời rạc. Giá trị được thay đổi ở quy mô thời gian lớn hơn để tránh nhanh chóng biến động.
Yang và cộng sự [31] đề xuất một phương pháp để thay đổi lũy thừa β thành một giá trị lớn hơn để cung cấp sự công bằng tốt hơn sao cho β được suy ra từ tính công bằng trung bình trong quá khứ và thông lượng. Họ cũng đề xuất một số kế hoạch để cải thiện hiệu suất của UE bên cạnh.
N. Xu và cộng sự [32] cung cấp một cách tiếp cận để đặt số mũ β nhỏ hơn 1 khi UE ở điều kiện nằm rìa của cell. Nó cải thiện mức độ ưu tiên của các UE bên cạnh.Tuy nhiên, những cách tiếp cận này để cập nhật số mũ α và β được lấy từ các tham số trung bình trong quá khứ, không thể phù hợp với các biến thể kênh nhanh chóng.
Yamaguchi và Takeuchi [33] sửa đổi phương pháp thành tính toán tốc độ dữ liệu trung bình ( ). Một số mũ tĩnh (1-α) được thêm vào (4) để truyền dữ liệu tốc độ cao. Họ kết luận rằng khi α lớn hơn 0, thông thường sẽ nhỏ hơn 1, giá trị của thông lượng trung bình thu hẹp so với Bộ lập lịch PF. Mức độ ưu tiên phụ thuộc nhiều hơn vào dữ liệu hiện tại tỷ lệ. Bộ lập lịch phân bổ nhiều tài nguyên kênh hơn cho thiết bị đầu cuối gần gNodeB. Nếu tham số α là âm, các thiết bị đầu cuối xa eNodeB được ưu tiên hơn. Phương pháp nàycung cấp sự linh hoạt hơn cho việc điều chỉnh mức độ ưu tiên của các UE. Tuy nhiên, công trình này chỉ nghiên cứu tác động của tĩnh thông số.
Trong nghiên cứu gần đây, Jiteng Ma và cộng sự đã hiêụ chỉnh tốc độ trung bình trong biểu thức của lập lịch PF để tương thích với môi trường thay đổi nhanh của mạng di động 5G. Khi đó, tốc độ trung bình trong lập lịch PF được tính theo công thức sau:
( ) =
1 ( 1) + ( ) ( ), is scheduled
1 ( 1), is not scheduled (5)