Tài liệu Lập biểu phụ thuộc chất lượng kênh trong các hệ thống lte

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM ---------------------------------------------------- HÀ VIỆT DŨNG LẬP BIỂU PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG KÊNH TRONG CÁC HỆ THỐNG LTE CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2011 Luận văn được hoàn thành tại: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: TS. Dư Đình Viên Phản biện 1: ....................................................................................................... ............................................................................................................................ Phản biện 2: ...................................................................................................... .......................................................................................................................... Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: ........giờ.......ngày........tháng........năm.......... Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của viễn thông. Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữ liệu. Do đó để đáp ứng về nhu cầu sử dụng ngày càng cao, các hệ thống thông tin di động đã không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới. Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là một điều tất yếu. Một trong những đặc tính của thông tin vô tuyến di động là sự thay đổi nhanh của môi trường truyền dẫn. Do đó tạp âm nhiễu là một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của người sử dụng. Ngoài ra, nhu cầu cần một thông lượng lớn để đáp ứng nhu cầu đa dạng của người sử dụng ngày nay đòi hỏi phải có những phương pháp nhằm tối ưu hóa lưu lượng cho người sử dụng. Từ những yêu cầu cấp thiết như vậy, nội dung luận văn được đưa ra để xem xét cũng như đưa ra những giải pháp để khắc phục những vấn đề cấp bách trên. Nội dung luận văn gồm có ba chương: Chương 1: Chương này đã xét tổng quan các quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE (E3G/4G-). Ngoài ra phần này cũng xét đến lộ trình tiến lên 4G, công nghệ truy nhập vô tuyến 4G sẽ có thể gọi là IMT2000 Adv. Chương 2: Chương này sẽ xét nguyên lí OFDM và ứng dụng của nó trong mô hình vật lí OFDMA đường xuống của LTE và phân tích những nhược điểm của điều chế OFDM. Sau đó, chúng ta tìm hiểu một số dạng điều chế cải tiến của OFDM là DFTS-OFDM. Chương 3: Từ những kĩ thuật điều chế OFDMA sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên như đã xét ở chương 2, phần này sẽ trình bày những thuật toán lập biểu phụ thuộc kênh cho cả đường lên lẫn đường xuống nhằm tối ưu hóa tài nguyên cho các người sử dụng. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3GPP LTE VÀ LỘ TRÌNH TIẾN LÊN 4G Chương này trình bày tổng quan về lộ trình tiến lên 4G của chuẩn 3GPP bao gồm: các phiên bản phát hành của tổ chức 3GPP, các mục tiêu yêu cầu của LTE và cuối cùng là các tính năng quan trọng của LTE đã đưa 3GPP cũng như viễn thông thế giới tiến tới 4G. 1.1. TỔ CHỨC 3GPP VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G 1.1.1. Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành Hoạt động tiêu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến 2008 được tổng kết theo thời gian đưa ra các phát hành được biểu diễn trong hình 1.1[2]. Hình 1.1. Tiến trình các phát hành trong 3GPP [2] 1.1.1.1. Truy nhập gói tốc độ cao HSPA Những cải tiến trong R5 này thường được nhắc đến với một tên gọi HSDPA. Sự ra đời của HSDPA nhằm hỗ trợ mạnh mẽ các dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độc truyền dẫn lớn như các dịch vụ tương tác, dịch vụ nền, dịch vụ streaming. Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 14,4 Mbps. Cả hai mạng HSDPA và HSUPA được gọi với cái tên chung là HSPA. Các mạng HSDPA đầu tiên được thương mại hóa vào năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại năm 2007. 1.1.1.2. Phát triển dài hạn LTE LTE là một trong số các con đường tiến lên 4G. LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo đó là IMT Advance 4G. LTE cho phép chuyển đổi từ từ từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu 4G sau đó sẽ là IMT Advance như hình 1.2[2]. Ngoài LTE của 3GPP thì 3GPP2 cũng đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2 đưa ra là UMB. Chương trình khung của kế hoạch này bắt đầu từ năm 2000. 1.2. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ LTE VÀ CÁC YÊU CẦU Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN để có thể triển khai vào năm 2010. Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành, nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ, giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ ràng triển khai và khai thác hệ thống. Hình 1.2. Hội thảo nghiên cứu LTE [2] 1.2.1. Các mục tiêu yêu cầu của LTE Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cả đường lên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với các mạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác. Các mục tiêu LTE được thể hiện dưới các khía cạnh sau. 1.2.1.1. Các khả năng của LTE 1.2.1.2. Hiệu năng hệ thống 1.2.1.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai Các yêu cầu liên quan tới triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, tính linh hoạt phổ tần, triển khai phổ và đồng tồn tại cũng như tương tác với các mạng tồn tại khác của 3GPP như GSM, WCDMA/HSPA. a. Triển khai phổ tần b. Các vấn đề tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT 1.2.1.4. Quản lí tài nguyên vô tuyến Các yêu cầu đối với LTE phải giảm thiểu mức độ phức tạp của UTRA UE liên quan đến kích thước, trọng lượng và dung lượng acqui (chế độ chờ và chế độ tích cực) và các trạng thái UE đơn giản hơn so với UMTS, nhưng vẫn đảm bảo các dịch vụ tiên tiến LTE. 1.2.2. Các mục tiêu thiết kế SAE. 1.2.2.1. Kiến trúc mạng LTE Hình 1.9 cho thấy tổng quan về mạng truy nhập vô tuyến LTE, các Node giao diện và sự khác biệt trong kiến trúc mạng giữa LTE và WCDMA/HSPA. Trong LTE không có Node tương đương với RNC. Do không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên và đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng và hơn nữa việc thiết kế giảm thiểu số lượng Node trong mạng giảm độ phức tạp, quản lý. 1.2.2.2. Lõi gói phát triển EPC Mạng lõi được sử dụng cho WCDMA/HSPA và LTE được xây dựng trên sự phát triển mạng lõi GSM/GPRS. Mạng lõi sử dụng cho WCDMA/HSPA rất gần với mạng lõi gốc của GSM/GPRS ngoại trừ sự khác nhau trong việc phân chia chức năng với RAN. Tuy nhiên mạng lõi được sử dụng để kết nối tới LTE RAN là sự phát triển triệt để hơn của mạng lõi GSM/GPRS. Vì thế nói có tên là lõi gói phát triển EPC. Hình 1.9. Kiến trúc mạng LTE [2] 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương này đã xét tổng quan các quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE (E3G/4G-). Các công nghệ truy nhập HSPA vẫn còn dựa trên công nghệ truy nhập vô tuyến CDMA của WCDMA. Có thể nói HSPA là hậu của 3G còn LTE là tiền 4G. Trong chương này cũng xét đến lộ trình tiến lên 4G, công nghệ truy nhập vô tuyến 4G sẽ có thể gọi là IMT2000 Adv. Nhìn chung, mục đích chính và then chốt của các công nghệ này là đều nhằm cải thiện các thông số hiệu năng và giảm giá thành so với các công nghệ trước đó CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA Chương này sẽ xét nguyên lí OFDM và ứng dụng của nó trong mô hình vật lí OFDMA đường xuống của LTE. Nhược điểm của điều chế OFDM và các phương pháp truyền dẫn đa sóng mang khác là sự thay đổi công suất tức thời của tín hiệu phát rất lớn dẫn đến tỉ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình rất lớn. Để giải quyết vấn đề này, LTE sử dụng một số dạng điều chế cải tiến của OFDM là DFTS-OFDM. Đây là một công nghệ hứa hẹn của cho thông tin đường lên tốc độ cao trong các hệ thống thông tin di động tương lai. 2.1. NGUYÊN LÝ ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA 2.1.1. Nguyên lý OFDM Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyến tính do tính phân tán của kênh truyền dẫn vô tuyến gây ra. Nguyên lý của OFDM là phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này. Theo đó, luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn. Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng 2.1.2. Hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng miền tần số SC/FDE Như đã trình bày OFDM là một giải pháp tốt nhằm giảm ảnh hưởng truyền tín hiệu đa đường. Khả năng đề kháng này do OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trực giao. 2.1.3. Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA 2.1.3.1. Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA {X n } {X i } {x i } {x p } Ts mod Ts mod TFFT  Ts mod .P / N TFFT Hình 2.4. Cấu trúc bộ phát và thu của SC-FDMA và OFDMA [4]. 2.1.3.2. SC-FDMA với tạo dạng phổ Tín hiệu SC-FDMA được tạo ra trong các phần trước là có dạng hình chữ nhật. Để giảm hơn nữa sự biến thiên của tín hiệu SC-FDMA, giảm bức năng lượng tín hiệu ngoài băng, có thể thực hiện tạo dạng phổ thích hợp cho tín hiệu này. Sơ đồ được cho Hình 2.9 dưới đây. Hình 2.9. Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiệu SC-FDMA [4]. 2.1.4. Sắp xếp các sóng mang Giống như OFDMA, Thông lượng của SC-FDMA phụ thuộc vào cách sắp đặt các ký hiệu thông tin lên các sóng mang con. Có hai cách sắp xếp các sóng mang con giữa các máy đầu cuối. Đó là khoanh vùng (LFDMA: Localized SC-FDMA) và phân bố (DFDMA: Distributed FDMA). Hình 2.12. Sắp xếp các sóng mang (a) LFDMA và (b) DFDMA [7] 2.1.5.1. Các kí hiệu miền thời gian của IFDMA Ta có thể biểu diễn tín hiệu IFDMA trong miền thời gian như sau: N 1 x (m)   X i .e j 2 i m N (2.3) i 0 Trong đó X Xi   n 0 i  Q.n(0  n  P  1) khác (2.4) Với m = P.q+p và N = Q.P; 0 ≤ q ≤ Q-1 và 0 ≤ p ≤ P-1 (2.5) 2.1.5.2. Các kí hiệu miền thời gian của LFDMA Các kí hiệu LFDMA trong miền thời gian được biểu diễn như sau: N 1 x (m)   X i .e j 2 i m N (2.12) i 0 i  n(0  n  P  1) X Xi   n 0 khác Với m = Q.p+q và N = Q.P; 0 ≤ q ≤ Q-1 và 0 ≤ p ≤ P-1 (2.13) (2.14) 2.1.5.3. Các kí hiệu miền thời gian của DFDMA Các kí hiệu DFDMA trong miền thời gian được biểu diễn như sau: N 1 x ( m )   X i .e j 2 i m N (2.21) i0 X Xi   n 0 i  H .n(0  n  P  1) khác Với m = Q.p+q; N = Q.P; 0 ≤ q ≤ Q-1; 0 ≤ p ≤ P-1 và 0 ≤ H < Q (2.22) (2.23) 2.2. SC-FDMA và OFDMA Từ hình 2.18 [7] chúng ta có thể thấy rằng lược đồ khối của bộ phát OFDMA có nhiều điểm chung với SC-FDMA. Chỉ có duy nhất một điểm khác biệt giữa chúng là sự hiện diện của khối DFT trong lược đồ khối SC-FDMA. Vì lý do này mà SC-FDMA đôi khi còn được gọi là DFTS-OFDMA (hay DFTP-OFDMA). 2.3. SC-FDMA và DS-CDMA/FDE Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) với FDE là một kỹ thuật thay thế cho máy thu Rake, thông thường được sử dụng trong DS-CDMA với bộ cân bằng miền tần số. Một máy thu Rake bao gồm các bộ hiệu chỉnh, mỗi bộ hiệu chỉnh một thành phần tín hiệu đa đường. Số tín hiệu đa đường tăng thì chọn lọc tần số trong kênh cũng tăng và độ phức tạp của máy thu Rake cũng tăng lên và cần nhiều các bộ hiệu chỉnh hơn. Việc sử dụng FDE thay vì máy thu Rake có thể làm giảm bớt vấn đề phức tạp trong hệ thống DS-CDMA. Lược đồ khối của hệ thống DS-CDMA có thể được cho như hình vẽ 2.21 [7]. {x n } Hình 2.21. Hệ thống DS-CDMA [7]. 2.4. KẾT LUẬN Chương này đã xét nguyên lí chung của OFDM và DFTS-OFDM. OFDM là phương pháp truyền dẫn đa sóng mang cho phép truyền dẫn vô tuyến băng rộng với tiết kiệm băng thông nhất. Vì thế nó có thể được sử dụng cho mô hình vật lí của OFDMA đường xuống của LTE. Tuy nhiên do nhược điểm của OFDM là có PAPR cao nên DFTS-OFDM được sử dụng cho mô hình lớp vật lí SC-FDMA đường lên. Chương 3 LẬP BIỂU PHỤ THUỘC KÊNH Trong chương 2 chúng ta đã xem xét kĩ thuật đa truy nhập OFDMA cho đường xuống và SCFDMA cho đường lên. Dựa vào những kĩ thuật đa truy nhập này chúng ta đề xuất những phương pháp lập biểu phụ thuộc kênh nhằm tối ưu hóa tài nguyên cho người sử dụng. Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống đã mang lại những kết quả hết sức khả quan. Tuy nhiên lập biểu phụ thuộc kênh đường lên SCFDMA lại cho thấy những kết quả rất khác biệt so với đường xuống OFDM. Chương này sẽ trình bày lập biểu phụ thuộc kênh cho cả đường lên và đường xuống. Những thách thức và hạn chế của lập biểu đường lên và đưa ra những giải pháp cụ thể để khắc phục những khó khăn này. 3.1. LẬP BIỂU ĐƯỜNG XUỐNG Với mục tiêu khai thác phân tập đa người sử dụng và để cung cấp khả năng linh động tốt hơn trong việc phân bổ tài nguyên (lập biểu), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép đa người sử dụng chia sẻ một cách đồng bộ các sóng mang con (OFDMA). Vấn đề công suất và phân bổ sóng mang con trong các hệ thống OFDMA đã được nghiên cứu một cách trọng tâm. Trong các hệ thống LTE, các tài nguyên lập biểu cho người sử dụng được đưa ra trong cả miền thời gian (TD) và miền tần số (FD) chính khả năng này giúp tăng thông lượng hệ thống. Hình 3.1 Cấu trúc miền thời gian tần số đường xuống LTE [11]. 3.1.1. Chỉ thị chất lượng kênh (CQI) Những người sử dụng đầu cuối cung cấp các báo cáo chỉ thị chất lượng kênh (CQI) định kì dựa vào những đánh giá của các tỉ lệ khuếch đại trên nhiễu (GIR) trên các tín hiệu tham khảo đường xuống của công suất đã biết. Các báo cáo CQI được truyền tải trên các kênh điều khiển đường lên tới bộ lập biểu đặt tại trạm gốc. Báo cáo CQI của một người sử dụng có thể bao gồm thông số đánh giá GIR trên mỗi dải băng con. Một giá trị GIR cao hơn biểu thị cho một băng con tốt hơn. I được tính bằng tổng công suất thu Itot từ tất cả các trạm cơ sở trừ đi công suất thu từ trạm cơ sở định hướng. = − . (3.1) Với N là đại lược đặc trưng cho tạm âm, thì tỉ lệ công suất trên nhiễu – GIR được tính theo công thức sau: = (3.2) Hình 3.2. Lập biểu đường xuống [11] Nếu mỗi phần tử giá trị tỉ lệ khuếch đại trên nhiễu (GIR) của một báo cáo chỉ thị chất lượng kênh người sử dụng nhân với công suất được phân cho băng con tương ứng với phần tử đó nó sẽ bằng giá trị tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (SIR) trên mỗi băng con. Ta có tỉ lệ tín hiệu trên tạm âm sẽ là: = . (3.3) 3.1.2. Các thuật toán lập biểu tài nguyên 3.1.2.1. Thuật toán phân bổ tài nguyên công bằng tỉ lệ Trong thuật toán lập biểu công bằng tỉ lệ cho OFDMA, mức độ ưu tiên cho mỗi người sử dụng ở mỗi khối tài nguyên được tính toán trước tiên và sau đó người sử dụng với mức độ ưu tiên cực đại được phân khối tài nguyên này và thuật toán tiếp tục phân khối tài nguyên tới người sử dụng này với mức ưu tiên cực đại tiếp theo. Quá trình này tiếp tục cho đến khi tất cả các khối tài nguyên được phân hoặc tất cả các người sử dụng được phục vụ với các khối tài nguyên. Mức ưu tiên của người sử dụng thứ k cho khối tài nguyên thứ j trong thời gian ‘n’ được tính theo phương trình sau: Pk , j ( n )  RDR k,j (n ) / R k (n ) (3.4) 3.1.2.2. Thuật toán lập biểu tài nguyên dựa trên tái sử dụng tần số mềm hơn Với mục tiêu giảm tiêu hao khuếch đại lập biểu lựa chọn tần số và tăng tốc độ dữ liệu tại biên ô, lược đồ tái sử dụng tần số mềm được sử dụng. Trong lược đồ này, hệ số tái sử dụng tần số cả ở trung tâm ô và biền ô là 1. Băng tần số công suất cao là khác nhau giữa các ô lân cận. Bộ lập biểu tần số được thiết kế hoạt động theo một cách rằng những người sử dụng ở biên ô có xác suất lớn hơn trong việc sử dụng băng tần số với công suất cao hơn và những người sử dụng tại tâm ô có xác suất cao hơn trong việc sử dụng băng tần số với công suất thấp. Chúng ta đưa ra một số biến đổi nhỏ trong thuật toán lập biểu công bằng tỉ lệ theo công thức: Pk , j (n)  RDRk , j ( n) / Rk (n) * Fk , j (3.7) 3.1.2.3. Thuật toán lập biểu Round Robin Các nguồn tài nguyên vô tuyến được phân bổ tới các người sử dụng theo một kiểu round-robin. Người sử dụng được tiếp cận đầu tiên sẽ được phục vụ với toàn bổ phổ tần số cho một giai đoạn thời gian đặc biệt và sau đó những nguồn tài nguyên này sẽ thu hồi ngược trở lại và được phân tới người sử dụng tiếp theo trong một giai đoạn thời gian khác. Người sử dụng được phục vụ trước đó được xếp ở vị trí cuối trong hàng đợi do đó nó có thể được phục vụ với các tài nguyên tần số trong vòng kế tiếp. Những yêu cầu mới cũng sẽ được đặt ở trí này trong hàng đợi. Lập biểu này tiếp tục theo một cách như vậy. 3.1.2.4. Thuật toán lập biểu nhiễu tối đa Trong phương pháp này, người sử dụng được lập biểu để sử dụng các nguồn tài nguyên vô tuyến dựa trên tổng nhiễu tối đa. Thuật toán này hướng tới những người sử dụng nào được xếp theo hàng tùy theo nhiễu bị ảnh hưởng. Mặt khác, người sử dụng với CQI tồi nhất được xếp ở vị trí trên cùng và được lập biểu để sử dụng các khối tài nguyên vật lý cho thời gian riêng. Người sử dụng với điều kiện kênh CQI tồi nhất sau đó sẽ được lập biểu để sử dụng PRBs. Người sử dụng xếp ở vị trí thứ K có thể được tìm thấy bởi sử dụng phương trình sau: = arg max( ( )) (3.8) là vector của các nhiễu tác động bởi các người sử dụng ô trong thời gian t. 3.2. TỐI ƯU HÓA LẬP BIỂU TÀI NGUYÊN ĐƯỜNG XUỐNG TRONG CÁC HỆ THỐNG LTE Vấn đề phân bổ các tài nguyên tới đa người sử dụng trên đường xuống của một hệ thống truyền thông tế bào LTE luôn rất phức tạp. Một bộ lập biểu đa người sử dụng tối ưu (thông lượng tối đa) được xem xét và đánh giá công năng của nó. Các kết quả bằng số cho thấy công năng hệ thống cải thiện với mối tương quan chặt chẽ giữa các sóng mang con OFDMA. 3.2.1. Mô hình hệ thống Trong mô hình hệ thống chúng ta sẽ nghiên cứu các vấn đề chia sẻ tài nguyên. Một khối lập biểu bao gồm một số, , của các kí hiệu OFDM liên tiếp. L là tổng số sóng mang con và ( )≤ là số ( ) sóng mang con mang dữ liệu cho kí hiệu , trong đó = 1,2, … , . Cũng như vậy, là tỉ lệ mã kết hợp với lược đồ mã hóa điều chế ∈ {1,2, … , }, là kích thước của MSC j và là khoảng thời gian tồn tại của kí hiệu. Tiếp theo, tốc độ bit tương ứng với một khối lập biểu đơn được cho bởi công thức: ( ) = U là số người sử dụng đồng bộ và truyền dẫn (TTI). Thêm vào đó, ( ) (3.9) là tổng số các khối lập biểu sẵn có trong mỗi khoảng thời gian là số tập con của (CQI) của chúng được báo cáo bởi người sử dụng i. khối lập biểu mà chỉ thị chất lượng tín hiệu 3.2.2. Tối ưu hóa một người sử dụng Trong tối ưu hóa một người sử dụng, mục tiêu là để xác định chỉ số tỉ lệ lược đồ mã hòa và điều chế (MCS), phân, ∗ và tập của các khối lập biểu SB để bố trí tới người sử dụng i để tối đa hóa tỉ lệ bit được , được cho một tập của chất lượng kênh { , , , Hình 3.2: Mối quan hệ giữa Đặt ()= ∈ ( , , ) và = , ∈ } như hình 3.2 [11]. và , [11]. ,…, , , , , ( ) là vector lược đồ mã hóa và điều chế MCS cho người sử dụng I, trong đó: , = 0, 1, ế ườ ử ụ ế ườ ℎô ử ụ đượ đượ ℎâ ℎâ ổ ổ tối ưu cái tối đa hóa tổng tỉ lệ bit cho người sử dụng I, được thực hiện bởi các vấn đề liên quan: , ( 0): ( , ) max , (3.11) ∈ Với giả thiết: ( ) , ,∀ , , (3.12) ∈ {0,1}, ∀ , Công thức trong (3.11) cho phép tỉ lệ bit được lựa chọn cho khối lập biểu n ít hơn những gì , có thể hỗ trợ. Tuy nhiên có lẽ trường hợp này nếu người sử dụng i được phân nhiều hơn một khối lập biểu trong một khoảng thời gian truyền dẫn. Rằng buộc (3.12) đảm bảo rằng MCS cho người sử dụng i có thể chỉ nhận một giá trị đơn giữa 1 và ( ). Vấn đề tối ưu hóa trên có thể dễ dàng được giải quyết như sau. Đặt ( ) , ( ) với phần tử thứ (n,j) j của () = , = 1,2, … , ( , , ( ) là một ma trận × ) . Biểu thị tổng các phần tử trong cột thứ bởi: () ( ) , = (3.13) Sau đó lược đồ mã hóa và điều chế cho người sử dụng i là: ∗ ( ) Và tỉ lệ bit tối đa tương ứng là ∗ = ( ) max (3.14) () của các khối lập biểu tới người sử dụng I được cho bởi . Tập công thức: = , , ≥ ∗ , ∈ (3.15) 3.2.3. Bộ lập biểu tối ưu thông lượng Trong phần này, vấn đề lập biểu đa người sử dụng được đề cập, trong đó các nguồn tài nguyên vô tuyến được chia sẻ cùng nhau để tối ưu hóa tổng thông lượng hệ thống. 3.2.3.1. Lập biểu tối ưu hóa đa người sử dụng Nếu có nhiều người sử dụng, việc giải quyết vấn đề tối ưu hóa trở nên phức tạp hơn. Thêm vào đó, mỗi khối lập biểu có thể được chia sẻ hầu hết tới một người sử dụng. , , =∑ , , (3.16) , Là tốc độ tỉ lệ lỗi bít của khối lập biểu n được lựa chọn cho người sử dụng j được cho chất lượng ()= , , trong đó , ∈ {0,1} là một quyết định nhị phân có thể thay đổi. Trong đó, kênh ∈ , ( , ) . Với điều kiện: ( ) , =1 (3.17) được đưa ra để đảm bảo rằng, MCS cho người sử dụng I có thể chỉ nhận một giá trị duy nhất giữa 1 và ( ). Công thức trong (3.16) cho phép tỉ lệ bit được lựa chọn cho khối lập biểu n là nhỏ hơn những gì , có thể hỗ trợ, nhưng có thể trong trường hợp này nếu người sử dụng I được chia sẻ nhiều hơn một khối lập biểu trong suốt khoảng thời gian truyền tải TTI. Từ công thức (3.16) và công thức (3.17), có thể thấy rằng, khối lập biểu (SB) n có thể được lựa chọn cho người sử dụng i chỉ khi MCS cho người sử dụng i thỏa mãn ∗ ≤ , ( , ∗ được lựa chọn ) được mô tả trong hình 3.3 [12]. Các vấn đề của tối đa hóa tổng các tỉ lệ bit cho tất cả người sử dụng có thể được tính theo công thức : (P1): ∑ ∈ Hình 3.3. Lựa chọn MCS. SB n có thể được lựa chọn nếu ∗ max , ∑ ≤ ( , ) , ∑ , ( , , , (3.18) ) và không được chọn nếu ngược lại. Với giả thiết (3.17) và = 1, , , Trong = , công , = 1, … , , = 1, … , , , (3.19) ∈ {0,1}, ∀ , , . thức ( ) và ∈ (3.20) = (3.18), , , , = 1, … , , ∈ , là một quyết định nhị phân, với giá trị 1 nếu SB n được phân tới người sử dụng i và 0 trong những trường hợp khác. Mục đích của công thức (3.18) là để chọn giá trị tối ưu cho A và B để tối đa hóa tỉ lệ bit chung ∑ ∑ ∈ , , , ( , ). 3.2.3.2. Mô hình tuyến tính hóa Vấn đề (P1) là không tuyến tính bởi vì điều kiện , trong công thức (3.18). Mặc dù các giải , pháp có thể được thực hiện sử dụng các kĩ thuật tối ưu hóa nhưng có thể vẫn không đảm bảo.. Để tránh những khó khăn này, vấn đề có thể đươc truyền tải vào trong vấn đề tuyến tính tương đương bởi một thiết bị phụ trợ ,, = , , Sau đó, vấn đề (P1) có thể được tuyến tính hóa như sau: P1′ : max ∑ , , ∑ ∈ ∑ , ( , ) , , (3.21) Theo công thức (3.17), (3.19), (3.20) và ,, ,, ≤ ≤ (3.22) , , , , (3.23) ,, ≥ , − 1− (3.24) , Trong đó M là giá trị thực dương lớn. 3.2.3.3. Lập biểu cận tối ưu đa người sử dụng Trong các công thức lập biểu tối ưu trong (P1) và (P1’), các lược đồ mã hóa và điều chế (MCSs), các khối lập biểu (SBs) và các người sử dụng được chia sẻ chung. Để giảm sự phức tạp trong tính toán, bộ lập biểu cận tối ưu thực hiện chia sẻ tài nguyên trong hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên, mỗi khối lập biểu được phân tới người sử dụng có tốc độ bít cao nhất. Giai đoạn hai, lược đồ mã hóa và điều chế tốt nhất cho mỗi người sử dụng được xác định. Mục đích của bộ lập biểu cận tối ưu là để phân bổ một tập con rời nhau của các khối lập biểu tới mỗi người sử dụng, qua đó giảm vấn đề tối ưu hóa đa người sử dụng chung vào trong các vấn đề tối ưu hóa đơn người sử dụng song song U. Chúng ta sẽ gọi vấn đề hai giai đoạn này là vấn đề (P2). 3.2.4. Bộ lập biểu tối ưu với công bằng tỉ lệ Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét một bộ lập biểu tỉ lệ cân đối để nhằm cải thiện sự công bằng giữa những người sử dụng 3.2.4.1. Lập biểu tối ưu hóa đa người sử dụng Vấn đề tối ưu hóa chung có thể được đưa vào công thức sau: (P3): max , ∑ ∑ ( ) , ậ 1, ( )= điểm t-1 và [0,1], và , ( , ( ) ) (3.26) ể ô ể ậ ( ) = (1 − ) ( − 1) + ằ ỉ ệ ỉ ệ ố đ (3.27) ( − 1) là tỉ lệ bit trung bình tại thời ( ) là tỉ lệ bit được phân tới người sử dụng i tại thời điểm t. = Trong vấn đề (P3), và ( , ( )) , ( ) được tính theo phương trình sau: Theo công thức (3.11), (3.19), (3.20). Trong công thức (3.20), ∑ , , = 1, … , , , , = , , = 1, … , , = 1, … , (), là một giá trị quyết định nhị phân, lấy giá trị 1 nếu khối lập biểu n được phân tới người sử dung I và 0 trong các trường hợp còn lại. Vấn đề (P3) là không tuyến tính bởi vì tích số , , trong công thức (3.26). Để giải quyết vấn đề (P2) có thể được biến đổi vào trong một vấn đề tuyến tính tương đương (P3’) bởi việc đưa ra , , = , , , ví dụ: (P3’): max , , ∑ ∑ ∑ ( , ( )) , , , ( ) (3.28) Theo (3.11), (3.19), (3.20) kết hợp với (3.22) đến (3.24) vấn đề (P3’) có thể được giải quyết. 3.2.4.2. Lập biểu cận tối ưu đa người sử dụng Bộ lập biểu đa người sử dụng cận tối ưu bao gồm hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên, bộ lập biểu là tập hợp , ( )= , ( , ( ))| ∈ (3.29) của các chỉ số tỉ lệ tối đa, một cho mỗi khối lập biểu (SB) cho người sử dụng i tại thời điểm t. Những người sử dụng sau đó được sắp xếp tùy theo giá trị chỉ số ưu tiên của chúng, { ( , ) ( ) = , ( , ậ ể ) , ậ , = 1,2, … , }, ỉ ệ ô ể ằ g(.) là một hàm phản hồi tỉ lệ bit cao nhất rằng người sử dụng i có thể được hỗ trợ trên ( ) ( ) . trong phần trước, ví dụ ∗ ( ) = , Để cho thuận tiện, giả thiết { , ,…, ( ) ≥ ( ) ≥⋯≥ ( ) (3.30) ỉ ê ố đ , ( ), như là là một phiên bản được sắp xếp của } và ( ) ↦ là một hàm rằng đưa chỉ số người sử dụng đương sắp xếp j tới ngay sau chỉ số người sử dụng ban đầu i. Trong giai đoạn 2, vị trí các tài nguyên được thực hiện trong một dạng chuỗi, người sử dụng ở một thời điểm tùy theo trật tự người sử dụng tiếp theo: (1), (2), … Do đó, bắt đầu với người sử dụng (1) và tập ban đầu của các khối lập biểu (SBs), chỉ số lược đồ mã hóa và điều chế (MCS) và tập hợp SBs, ( ) được xác định như là miêu tả trong phần 3.2.2 và được phân tới người sử dụng (1). Các khối lập biểu (SBs) còn lại, ( ) = ( )− ( ) , sau đó được tạo ra sẵn sàng tới người sử dụng (2). Quá trình phân bổ nguồn tài nguyên tiếp tục cho đến khi tất cả các khối lập biểu được phân bổ hết. 3.2 LẬP BIỂU ĐƯỜNG LÊN Kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang đơn (SC-FDMA) cho truyền dẫn đường lên thu hút được nhiều sự quan tâm bởi vì tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) thấp so với kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Trong 3GPP LTE, SC-FDMA và OFDMA được lựa chọn cho các truyền dẫn đường lên và đường xuống tương ứng. Các tín hiệu SCFDMA có thể được thực hiện bởi sử dụng OFDMA trải phổ biến đổi fourier rời rạc (DFT), trong đó DFT được áp dụng để biến đổi các kí hiệu dữ liệu đầu vào miền thời gian tới miền tần số trước khi xử lý chúng trong bộ điều chế OFDMA. Hai lược đồ MIMO cho truyền dẫn đường lên SC-FDMA đang được nghiên cứu bởi 3GPP LTE, lần lượt là, MIMO đa người sử dụng và MIMO đơn người sử dụng. Đối với MIMO đơn người sử dụng, eNB chỉ lập biểu một người sử dụng đơn vào trong một khối tài nguyên; trong khi đối với MIMO đa người sử dụng, các thiết bị đầu cuối đa người sử dụng được cho phép để truyền dẫn đồng bộ mỗi khối tài nguyên. Cả MIMO vòng lặp mở và MIMO vòng lặp đóng được nghiên cứu. Tuy nhiên, cái sau cung cấp cả khuếch đại ma trận và phân tập, vì vậy công năng tốt hơn nhiều. 3.2.1 Chỉ thị chất lượng kênh (CQI) đường lên Đối với đường lên, giá trị tỉ lệ khuếch đại trên nhiễu của một băng con cho người sử dụng được thực hiện bởi trạm cơ sở bởi lấy từ khuếch đại băng con của người sử dụng đó, G. và khếch đại băng con của người sử dụng được lập biểu Gsch từ các tín hiệu tham khảo đường lên. Người sử dụng được lập biểu này được bố trí trong cùng một ô như người sử dụng này và đây là người được sử dụng băng con cho truyền dẫn trong khoảng thời gian truyền tải trước đó (TTI). Công suất tín hiệu trạm cơ sở nhận từ ô này ở đó người sử dụng được bố trí tính toán bởi nhân Gsch với công suất truyền dẫn của người sử dụng được lập lịch Psch. Psch được biết bởi trạm gốc nếu nó được phân bổ tới người sử dụng được lập lịch bởi trạm cơ sở trong khoảng thời gian truyền dẫn trước (TTI). Nhiễu đường lên trên băng con I được tính bởi trừ đi công suất tín hiệu nhận từ ô của người sử dụng Gsch. Psch từ tổng nguồn công suất tín hiệu được nhận từ những người sử dụng trong tất cả các ô Itot. = − (3.31) Tỉ lệ khuếch đại trên nhiễu (GIR) đường lên có cùng công thức như là GIR đường xuống = (3.32) 3.2.1. Mô hình hệ thống Chúng ta sẽ xem xét một hệ thống đa truy nhâp tế bào với các anten thu truyền dẫn đơn tại đầu cuối người sử dụng thứ i, = 1,2, … , trong đó tại eNB và anten là tổng số người sử dụng trong hệ thống. Chúng ta nghiên cứu hệ thống MIMO đa người sử dụng trong cái mà K người sử dụng ( ) được phục vụ tại mỗi khe thời gian, và chúng ta giả thiết rằng K= K< . Mô hình hệ thống cho máy thu và phát MIMO dựa trên SC-FDMA. 3.2.2. Lập biểu đa người sử dụng tần số không gian Truyền dẫn MIMO đa người sử dụng FDMA khoanh vùng ( Dữ liệu của mỗi người sử dụng được truyền dẫn bởi các sóng mang con liên tiếp), Mỗi khung con truyền dẫn đường lên SC-FDMA có thể được phân chia vào các khối tài nguyên để dễ dàng lập biểu gói nhận biết kênh đa người sử dụng. Đặt , , là tập hợp chỉ số của các khối tài nguyên được phân tới người sử dụng i trong một khung con và là độ dài tổng số khối tài nguyên trong một khung con là | |. Khi đó = , , . Các khối tài nguyên lân cận có thể được phân bổ tới một người sử dụng trong một khung con. Đặt ∅ là tập j của K người sử dụng được lựa chọn từ người sử dụng trong hệ thống và Φ là toàn bộ tập hợp của K người sử người sử dụng, ∅ Φ, ∀j ϵ {1,2, … , |Φ|}, trong đó |Φ| là kích thước của Φ dụng được lựa chọn từ tổng và |Φ| = K K Đặt (∅) là hàm hiệu dụng cho khối tài nguyên thứ j. Mục tiêu là để tối ưu hóa hàm hiệu dụng bởi lựa chọn nhóm người sử dụng với điều kiện kênh thích hợp và tối ưu hóa tập hợp của các khối tài nguyên được phân bổ tới mỗi người sử dụng trong một khung con. Vấn đề tối ưu hóa có thể được thể hiện như sau: max ∀Φ;∅: , , ,∀ ∅ Điều kiện 1: ⋃∀ Điều kiện 2: ∑ ∅ , − | | (∅), = , , , = 1, ∀ 1,2, … , , −1 , (3.46) Sau khi các nhóm người sử dụng tốt nhất cho mỗi khối tài nguyên được xác định, chúng ta sẵn sàng cho bước thứ hai. Đặt là tập các khối tài nguyên phân bổ tới nhóm người sử dụng thứ i với một , khối tài nguyên liền kề q được thêm vào tập , trong mỗi khung con. Đặt Λ khoảng thời gian k khi nhóm người sử dụng i được phân bổ thay cho , , . , là gia số tỉ lệ trong Sau đó phân bổ khối tài nguyên tham lam dựa tren gia số tỉ lệ và đưa chúng vào trong tập nhóm người sử dụng sẵn dùng . = {1,2, … , }. Bước 1: Thêm tất cả các khối tài nguyên sẵn dùng Q cho tập Bước 2: Cho mỗi khối tài nguyên, tìm nhóm người sử dụng tốt nhất theo gia số tỉ lệ cao nhất. Với mỗi nhóm người sử dụng ∗ và khối tài nguyên ∗ [ , Bước 3: Với mỗi nhóm người sử dụng ∗ ∗ , ta có biểu thức thể hiện sự công bằng tỉ lệ: ∗ ]= max , Λ , tìm một khối tài nguyên lân cận (3.48) , ∗ của ∗ từ tập ∗ gia số tỉ lệ cực đại Λ − ∗ có , ∗. Bước 4: Lựa chọn nhóm người sử dụng và cặp khối tài nguyên lân cận bổ sung [ℎ ∗ , ∗ ], có gia số tỉ lệ cực ∗ đại Λ , ∗ trong tất cả các nhóm người sử dụng sẵn dùng và các khối tài nguyên. Bước 5: Xóa khối tài nguyên của nó là ∗ ∗ từ tập khối tài nguyên sẵn dùng trong tập nhóm người sử dụng sẵn dùng và nhóm người sử dụng tương ứng . Lập lại bước 3, 4, 5 cho đến khi tất cả các khối tài nguyên được phân bổ hết. 3.4. KẾT LUẬN Thông qua chương ta đã xét một số công nghệ được sử dụng như là các công nghệ then chốt trong các hệ thông thông tin di động 3G tăng cường và 4G: lập biểu biểu phụ thuộc kênh cho đường lên và đường xuống. Lập biểu phụ thuộc kênh giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho một người sử dụng vì thế cho phép người tiêu dùng sử dụng nhiều hơn trong hệ thống trong khi vẫn đáp ứng được yêu cầu chất lượng dịch vụ. KẾT LUẬN Nội dung luận văn được đưa ra nhằm giải quyết vấn đề tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng thông qua việc khắc phục ảnh hưởng can nhiễu từ môi trường truyền dẫn cũng như nâng cao hiệu suất thông lượng truyền tải tới các thiết bị đầu cuối và ngược lại. Để giải quyết vấn đề này, lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống và đường lên được đưa ra xem xét. Do công suất phát từ thiết bị đầu cuối tới trạm cơ sở thường rất bé và không ổn định nên bài toán lập biểu phụ thuộc kênh đường lên thường khó khăn và phức tạp hơn nhiều so với bài toán lập biểu cho đường xuống. Từ những công thức và những thuật toán được trình bày trong chương ba để đưa ra những ra những giải pháp lập biểu tốt nhất hướng tới nhu cầu và mục đích của người sử dụng. Chính từ những băn khoăn như thế, luận văn đưa ra xem xét gồm những phần sau: + Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống (OFDMA) - Đưa ra các thuật toán lập biểu được sử dụng phổ biến: Thuật toán Round Robin, thuật toán tái sử dụng tần số mềm hơn, thuật toán công bằng tỉ lệ và thuật toán nhiễu tối đa. - Dựa trên cở sở các thuật toán đưa ra các công thức toán để tối ưu hóa đơn người sử dụng - Tối ưu hóa đa người sử dụng và tối ưu hóa đa người sử dụng cận tối ưu. + Lập biểu phụ thuộc kênh đường lên (SC-FDMA)