Tài liệu Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường comp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỒNG PHÚC NGHIÊN CỨU PHÂN PHỐI TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN KHI TĂNG CƯỜNG COMP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỒNG PHÚC NGHIÊN CỨU PHÂN PHỐI TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN KHI TĂNG CƯỜNG COMP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN NGỌC VĂN HÀ NỘI, NĂM 2017 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Hồng Phúc. Đề tài luận văn: Nghiên cứu phân phối tài nguyên Vô tuyến khi tăng cường CoMP Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử. Mã số SV: CB14-0218. Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 03 tháng 11 năm 2017 các nội dung sau: - Căn lỗi chính tả, in ấn; - Bổ xung, giải nghĩa tiếng Việt cho thuật ngữ viết tắt, tài liệu tham khảo. Ngày 23 tháng 11 năm 2017 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS. Nguyễn Ngọc Văn Nguyễn Hồng Phúc CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS. Nguyễn Văn Khang Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP LỜI CAM ĐOAN Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện Điện tử viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như về chuyên môn trong quá trình tôi thực hiện đề tài. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên như tôi có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu. Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Nguyễn Ngọc Văn đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và hướng dẫn, sửa chữa cho nội dung của luận văn này. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi, các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn. Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này. Tác giả Nguyễn Hồng Phúc i Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................................... ii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ....................................................................viii DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... ix DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... x LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG ......................................................................... 3 1.1. Bối cảnh hiện tại ................................................................................................. 3 1.2. Mục tiêu, đóng góp của luận văn ....................................................................... 5 1.3. Bố cục luận văn .................................................................................................. 6 CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ LTE VÀ CÁC KỸ THUẬT LIÊN QUAN ................ 7 2.1. Hệ thống thông tin di động................................................................................. 7 2.1.1. Tóm tắt lịch sử của hệ thống viễn thông di động quốc tế ......................... 7 2.1.2. Đặc tính cơ bản của LTE ......................................................................... 12 2.1.3. Cấu trúc hệ thống LTE ............................................................................ 13 2.2. Các công nghệ chính trong LTE/LTE-A......................................................... 15 2.2.1. Công nghệ OFDM và OFDMA ................................................................ 16 2.2.2. Công nghệ MIMO .................................................................................... 18 2.2.3. Công nghệ trạm lặp .................................................................................. 25 2.3. Công nghệ CoMP (Coodinated Multi Points) .................................................. 28 2.3.1. Nền tảng công nghệ truyền dẫn đa điểm .................................................. 28 2.3.2. Khái niệm cơ bản công nghệ CoMP ....................................................... 29 2.3.3. Đặc điểm của công nghệ CoMP ............................................................... 30 2.3.4. Ưu điểm của công nghệ CoMP ................................................................ 30 2.3.5. Mô hình hệ thống CoMP .......................................................................... 31 2.3.6. Kiến trúc CoMP....................................................................................... 34 2.3.6.1. Kiến trúc tập trung ............................................................................ 35 2.3.6.2. Kiến trúc phân tán ............................................................................ 35 2.3.6.3. Kiến trúc bán phân tán........................................................................... 36 ii Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP 2.3.7. Các kỹ thuật được sử dụng trong CoMP .................................................. 37 2.3.7.1. Lập kế hoạch phối hợp (Coordinated Scheduling - CS) ................... 38 Phối hợp chuyển mạch chùm sóng CoMP (CBS-CoMP) .............................. 39 Chuyển mạch phối hợp CoMP (CS-CoMP) ................................................. 40 2.3.7.2. Gia nhập xử lý (Joint Processing - JP) ............................................. 41 Truyền dẫn chung CoMP (Joint Transmission JT-CoMP) ............................ 41 Lựa chọn điểm CoMP động (DPS-CoMP) .................................................... 42 2.3.8. Thiết lập CoMP ........................................................................................ 43 2.3.8.1. Thiết lập CoMP với mạng là trung tâm ........................................... 44 2.3.8.2. Thiết lập CoMP với thiết bị người dùng trung tâm .......................... 44 2.3.8.3. Thiết lập CoMP dựa vào mạng lưới và hỗ trợ bởi UE ..................... 44 2.4. Kết luận chương ............................................................................................... 45 CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN KHI TĂNG CƯỜNG COMP ………………………………………………………………………………47 3.1. Giới thiệu.......................................................................................................... 47 3.2. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 48 3.3. Mô hình hệ thống ............................................................................................. 50 3.4. Các phân tích điều khiển công suất .................................................................. 53 3.4.1. Trường hợp một UE được lựa chọn ........................................................ 54 3.4.2. Trường hợp hai UE được lựa chọn .......................................................... 54 3.4.3. Trường hợp ba UE được lựa chọn ........................................................... 55 3.5. Lập kế hoạch chung và điều khiển công suất ................................................... 56 3.5.1. Lập kế hoạch và điều khiển công suất tập trung ..................................... 57 3.5.2. Lập kế hoạch và điều khiển công suất bán phân bổ ................................ 58 3.6. Kết quả mô phỏng và đánh giá ......................................................................... 59 3.7. Kết luận ............................................................................................................ 65 CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT ....................................... 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 68 iii Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3G 3GPP 4G AFH AMC AMP AoA AoD AP API ARQ AWGN BLER BSS CE-UE CC-UE CB CDD CDF CDM CDMA C-NJT C-NPC C-JSPC CFO CoMP CQI Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba 3rd Generation Partnership Project Dự án đối tác thế hệ thứ ba Fourth Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư Adaptive Frequency Hopping Nhảy tần số thích ứng Adaptive Modulation and Coding Điều chế và mã hoá thích ứng Alternative MAC/PHY Lựa chọn lớp truyền thông /vật lý Angel of Arrival Góc tới Angel of Departure Góc xuất phát Access Point Điểm truy cập Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động Additive White Gausesian Noise Nhiễu trắng Gausesian thêm vào Block Error Rate Tỷ lệ nhiễu khối Base Station Subsystem Trạm gốc khu vực Cell Edge - User Equipment Thiết bị người dùng tại biên Cell Cell Centre - User Equipment Thiết bị người dùng tại trung tâm Cell Coordinated Beaming Phối hợp chùm sóng Cyclic Delay Diversity Phân tập chu kỳ trễ Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã Code Division Multiple access Đa truy cập phân chia theo mã Centralized Non Joint Transmission Thuật toán tập trung không có truyền dẫn chung Centralized Non Power Control Thuật toán tập trung không có Điều khiển công suất Centralized-Joint Scheduling Thuật toán tập trung có lập kế hoạch Power Control chung và điều khiển công suất Carrier Frequency Offset Độ lệch tần số sóng mang Coordinated Multipoint Phối hợp thu phát đa điểm Channel Quality Indicator Chỉ số chất lượng kênh Third Generation iv Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP Coordinated Schelduling Channel State Information Channel State Information at the Transmitter CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CTS Coodinated Transmission Set Lập kế hoạch phối hợp Thông tin trạng thái kênh Thông tin trạng thái kênh tại máy phát Hướng đa truy cập sóng mang với kỹ thuật tránh va chạm Tập hợp truyền dẫn phối hợp DL DPO PPS D-NJT Downlink Distributed Power Optimization Dynamic Selection Point Distributed -Non Joint Transmission D-NPC Distributed -Non Power Control Đường xuống Tối ưu hóa công suất phân tán Lựa chọn điểm động Thuật toán phân tán không có truyền dẫn chung Thuật toán phân tán không có điều khiển công suất Thuật toán phân tán lập kế hoạch chung và điều khiển công suất Tiếp nhận gián đoạn Truyền dẫn gián đoạn Thiết bị tới thiết bị Lõi gói phát triển NodeB phát triển Ánh xạ hiệu quả SINR Truy cập vô tuyến mặt đất đã được phát triển Mạng truy cập vô tuyến mặt đất đã được phát triển Kỹ thuật song công phân chia theo tần số Đa truy cập phân chia theo tần số Hệ thống định vị toàn cầu cho hệ thống thông tin liên lạc không dây Kỹ thuật yêu cầu tự động lặp lại lai Can nhiễu liên sóng mang Phối hợp can nhiễu liên Cell Tổ chức Viễn thông quốc tế CS CSI CSIT D-JSPC Distributed- Joint Scheduling Power Control DRX Discontinuous Reception DTX Discontinuous Transmission D2D Device to Device EPC Evolved Packet Core eNB eNodeB ESM Effective SINR Mapping E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio Access E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network FDD Frequency Division Dupplexing FDMA GSM HARQ Frequency Division Multiple Access Global System for Mobile Communications Hybrid Automatic Repeat Request ICI ICIC IMT Inter-Carrier Interference Inter-Cell Interference Coordination International Mobile v Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP Telecommunications ISI ITE JP JT LTE LTE-A LoS MAC MCI MCS MCN MIMO MNO NLOS OFDM OFDMA PAPR PBCH PCFICH PDCCH PFS PHICH PMI PRACH PSD QoS RACH RAR Inter-Symbol Interference International Telecommunication Union Joint Processing Joint Transmission Long Term Evolution Long Term Evolution Advanced Line of Sight Media Access Layer Maximum Channel to Interference Ratio MAP Communication Server Multihop Cellular Network Multiple-Input Multiple-Output Mobile Network Operator Non Line of Sight Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Peak to Average Power Ratio Can nhiễu giữa các biểu tượng Liên minh viễn thông quốc tế Gia nhập xử lý Truyền dẫn chung Sự tiến hóa dài hạn Sự tiến hóa dài hạn- nâng cao Tầm nhìn thẳng Lớp truy cập truyền thông Tối đa hóa kênh với tỷ lệ can nhiễu Máy chủ truyền thông MAP Mạng di động đa bước nhảy Thu phát nhiều anten Nhà khai thác mạng di động Mất tầm nhìn thẳng Ghép kênh không gian phân chia theo tần số Đa truy cập không gian phân chia theo tần số Tỷ lệ công suất đỉnh và công suất trung bình Physical Broadcast Channel Kênh vật lý quảng bá Physical Control Format Indicator Chỉ thị kênh điều khiển định dạng Channel lớp vật lý Physical Downlink Control Channel Điều khiển kênh vật lý đường xuống Proportional Fair Scheduling Lập kế hoạch công bằng theo tỉ lệ Physical Hybrid-ARQ Indicator Chỉ thị kênh vật lý lai -ARQ Channel Precoder Matrix Indicator Chỉ số ma trận tiền mã hóa Physical Random Access Channel Kênh truy cập vật lý ngẫu nhiên Power Spectral Density Mật độ phổ công suất Quality of Service Chất lượng dịch vụ Random Access Channel Kênh truy cập ngẫu nhiên Random Access Response Đáp ứng truy cập ngẫu nhiên vi Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP RB RF RI RMA RRC Rx SAE SC-FDMA TDD Resource Block Radio Frequency Rank Indicator Rural Macro Radio Resource Control Receiver System Architecture Evolution Single Carrier Frequency Division Multiple Access Signal to Interference plus Noise Ratio Single-Input Single-Output Secondary Synchronization Signal Total Access Communication System Time Division Duplex TDM TDMA TSG TTI Tx UE UL UMa Umi VoIP Time Division Multiplexing Time Division Multiple Access Technical Specification Group Transmission Time Interval Transmitter User Equipment Uplink Urban Macro Urban Micro Voice over IP WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Local Area Network Wireless Personal Area Network SINR SISO SSS TACS WLAN WPAN vii Khối tài nguyên Tần số vô tuyến Chỉ số xếp hạng Mạng vĩ mô nông thôn Điều khiển tài nguyên vô tuyến Máy thu Tiến hóa kiến trúc hệ thống Đa truy cập sóng mang đơn phân chia chia theo tần số Tỷ lệ giữa tín hiệu với can nhiễu cộng tạp âm Đơn đầu vào đơn đầu ra Tín hiệu đồng bộ thứ cấp Hệ thống truyền thông truy cập tổng thể Kỹ thuật song công phân chia theo thời gian Ghép kênh phân chia theo thời gian Đa truy cập phân chia theo thời gian Nhóm thông số kỹ thuật Khoảng thời gian truyền Máy phát Thiết bị người dùng Đường lên Mạng vĩ mô đô thị Mạng vi mô đô thị Truyền tín hiệu thoại thông qua giao thức IP Hệ thống truy cập không dây băng rộng Mạng không dây cục bộ Mạng không dây cá nhân Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa Ví dụ Chữ thường, in nghiêng Biến số x, n, m, i Chữ thường, in nghiêng, đậm Vetor x, s Chữ hoa, in đậm Ma trận H Chữ hoa, in nghiêng Công suất PN,M anten thu N, anten phát M (.)-1 Ma trận nghịch đảo 2 Phương sai tạp âm E{.} Phép tính kỳ vọng E{nnH} tr (.) Phép toán lấy vết của ma trận tr (H) (.) H Phép toán chuyển vị Hermitian HH IK Ma trận đơn vị bậc K IN 0N Vec tơ không 0N hi,j Phần tử i,j của ma trận H h1,1 CMxN Tập ma trận kích thước M, CM x N H-1 N với giá trị phức CMAC Vùng dung lượng kênh đa CMAC truy nhập CBC Vùng dung lượng kênh quảng bá viii CBC Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1. Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động ......................................7 Hình 2.2. Kiến trúc hệ thống thông tin di động khi chuyển từ GSM và UMTS sang LTE .................................................................................................................................. 10 Hình 2.3. Cấu trúc cơ bản của LTE...........................................................................14 Hình 2.4. Tần số và thời gian của tín hiệu OFDM ..………………………………16 Hình 2.5. Mô hình minh họa một hệ thống MIMO...................................................19 Hình 2.6. Dung lượng Ergodic của một hệ thống MIMO xác định. .........................24 Hình 2.7. Công nghệ trạm lặp ...................................................................................25 Hình 2.8. Dải phổ tần số làm việc của hệ thống 3G/4G khuyến nghị bởi ITU-200726 Hình 2.9. Hệ thống di động được triển khai với các node mạng chuyển tiếp...........27 Hình 2.10. Mô hình CoMP ........................................................................................28 Hình 2.11. Minh họa CoMP bên trong và bên ngoài ................................................30 Hình 2.12. Mô hình đường xuống của một hệ thống CoMP.....................................32 Hình 2.13. Kiến trúc CoMP tập trung .......................................................................35 Hình 2.14. Kiến trúc CoMP phân tán........................................................................36 Hình 2.15. Kiến trúc CoMP bán phân tán .................................................................36 Hình 2.16. Các thể loại kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống CoMP ....................37 Hình 2.17. Lập kế hoạch phối hợp (CS/CB) .............................................................38 Hình 2.18. Kỹ thuật Joint Transmission - JT ...........................................................41 Hình 2.19. Lựa chọn điểm động (Dynamic Point Selection-DPS) ...........................43 Hình 3.1. Mô hình hệ thống cho truyền dẫn chung đường xuống trong một cụm....51 Hình 3.2. Thông lượng trung bình của biên Cell so với công suất truyền tải tối đa hạn chế trên mỗi BSS ......................................................................................................61 Hình 3.3. Khả năng truyền dẫn chung với công suất truyền tải tối đa hạn chế trên mỗi BSS ............................................................................................................................62 Hình 3.4. Khả năng phối hợp giảm can nhiễu với công suất truyền tối đa hạn chế trên mỗi BSS.....................................................................................................................63 Hình 3.5. Số BSSs trung bình bật lên so với mức truyền công suất tối đa hạn chế trên mỗi BSS.....................................................................................................................64 ix Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: So sánh các tham số cơ bản của các thế hệ mạng di động .........................8 Bảng 2.2: Các thông số vật lý cơ bản của LTE .........................................................13 Bảng 3.1: Thuật toán lập kế hoạch chung và điều khiển công suất bán phân tán.....59 Bảng 3.2: Thông số mô phỏng ..................................................................................60 x Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP LỜI NÓI ĐẦU Với sự phổ biến của các thiết bị di động và sự tăng trưởng bùng nổ của các dịch vụ Internet di động, các hệ thống truyền thông không dây sẽ cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao và chất lượng cao cho nhiều ứng dụng không dây. Do sự khan hiếm tài nguyên vô tuyến điện (ví dụ: phổ tần số, công suất truyền tải) cần phải có chiến lược truyền tải và các cơ chế phân phối nguồn tài nguyên (RRA) hiệu quả để đạt được tốc độ dữ liệu cao với nguồn tài nguyên vô tuyến. Kỹ thuật phối hợp thu phát đa điểm (CoMP) đã được thông qua như là chìa khóa để cải thiện tốc độ dữ liệu của người sử dụng và hiệu quả quang phổ, nâng cao thông lượng trong các mạng LTE-A tại cuộc họp lần thứ nhất (WG1) giữa Nhóm giải pháp Viễn thông - Mạng Truy cập Vô tuyến (TSG-RAN) trong 3GGP [1]. Các kỹ thuật này cố gắng khai thác tính tích cực hoặc tránh can nhiễu liên Cell thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa các trạm gốc [35]. Một nghiên cứu được thực hiện bởi 3GPP cho thấy CoMP có thể cung cấp thông lượng không chỉ cho người sử dụng cạnh cell cao hơn mà còn tăng thông lượng trung bình hệ thống [42]. Tăng cường CoMP (Coodinated Multi Point Transmission and Reception) là kỹ thuật mà ở đó các thiết bị được điều khiển tăng cường thu phát của nhiều điểm trong một và nhiều Cell. Đây là công nghệ được giới thiệu và chuẩn hóa trong hệ thống LTE/LTE-A với mục tiêu tăng tốc độ, cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần. Song song với các ưu điểm của công nghệ CoMP, khi tăng cường CoMP cũng gặp phải rất nhiều khó khăn trong việc điều khiển, cấp phát tối ưu tái sử dụng tài nguyên vô tuyến, đồng bộ mạng … Các nguồn tài nguyên vô tuyến được sử dụng hiệu quả hơn thông qua việc phân bổ các nguồn động trong nhiều tế bào. Tốc độ dữ liệu cao có thể đạt được bằng cách khai thác truyền đồng thời thông qua các kỹ thuật tiên tiến như ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) và ghép kênh không gian (MIMO)[2]. Vì vậy, khi thiết kế các cơ chế phân bổ tài nguyên, sự phối hợp giữa nhiều tế bào là cần thiết để giảm thiểu can nhiễu và tối ưu hóa hiệu năng hệ thống. 1 Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP Do đó việc thực hiện hướng “Nghiên cứu Phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP” mở ra một hướng nghiên cứu mới cho các nhà quản lý và cung cấp mạng. Mặc dù tôi đã có cố gắng tuy nhiên do trình độ kiến thức còn hạn chế, nội dung nghiên cứu tương đối rộng do đó luận văn không thể tránh khỏi những sai sót. Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, các chuyên gia để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn tới các Thầy cô giáo trong Viện Điện tử viễn thông và đặc biệt TS. Nguyễn Ngọc Văn đã tận tình hướng dẫn khoa học và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 26 tháng 8 năm 2017 Học viên Nguyễn Hồng Phúc 2 Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Bối cảnh hiện tại Các mạng di động đang phải đối mặt với sự gia tăng số lượng các thiết bị di động, lưu lượng dữ liệu di động và sự gia tăng mật độ người sử dụng, đặc biệt là ở các khu vực thành thị. Mật độ không gian, bao gồm việc triển khai các nút nhỏ (ví dụ picocell, femtocell..), và các đề án phối hợp đa điểm, đó là sự phối hợp giữa các máy thu và phát, được xem như một giải pháp để giải quyết vấn đề này trong sự phát triển dài hạn và các mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 trong tương lai. Sự bùng nổ của di động băng rộng và nhu cầu về các dịch vụ chuyển mạch gói dữ liệu tốc độ cao đã yêu cầu một tập hợp các kỹ thuật RRA (Phân phối tài nguyên vô tuyến) mới có thể xử lý được các kịch bản phức tạp, đầy thách thức về năng suất của mạng. Các phương pháp tiếp cận RRA mới này bắt đầu sử dụng các khái niệm từ mạng dữ liệu có dây, chẳng hạn như lập kế hoạch gói tin và kiểm soát tắc nghẽn, nhưng đã được cải cách và thích nghi với môi trường mạng không dây. Gần đây, với sự nổi lên của 4G, đáng chú ý dưới hình thức 3GPP's Long Term Evolution (LTE), sự bùng nổ của di động băng rộng và nhu cầu về các dịch vụ chuyển mạch gói dữ liệu tốc độ cao đã yêu cầu một công nghệ truy cập vô tuyến có cấu hình cao dựa trên OFDMA đã được đưa ra. Các tổ chức 3GPP đã trình bày các giải pháp với mục đích phát triển một khuôn khổ cho sự phát triển của các công nghệ truy cập vô tuyến đối với tốc độ dữ liệu cao và độ trễ thấp trong hệ thống LTE-A. Những giải pháp này tìm cách đáp ứng các yêu cầu của International Mobile Telecommunications (IMT), sẽ bao gồm các cải tiến về hiệu suất so với các thế hệ thứ 3 (3G) trong hệ thống tế bào không dây. Trong bối cảnh này, LTEAdvanced đã coi Công nghệ phối hợp thu phát đa điểm (Coodinated MultiPoint CoMP) như một phương tiện hiệu quả đáp ứng yêu cầu của IMT[3]. 3 Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP Điều này, một lần nữa, đã mở rộng phạm vi của các chiến lược RRA. Bằng các phương pháp tiếp cận tối ưu hóa tiên tiến, RRA hiện nay cần phải có mức độ chi tiết cao, tăng khả năng hiệu quả việc sử dụng phổ tần đến mức chưa từng có. Điều này chủ yếu dựa trên sự khai thác thông minh (đa chiều không gian, tần số, thời gian và đa người dùng) bằng các thuật toán RRA. Phân phối tài nguyên vô tuyến (RRA) có nguồn gốc từ việc lập kế hoạch tái sử dụng tần số của thế hệ tế bào đầu tiên. Mục tiêu cơ bản của nó là tăng hiệu suất quang phổ. Việc sử dụng phổ tần hiệu quả hơn của phổ tần vô tuyến đóng một vai trò hết sức quan trọng, bởi vì phổ là một nguồn lực rất khan hiếm và được chia sẻ rộng rãi. Trong tiến trình hướng tới hệ thống 3G, RRA đã trở thành một tiêu chuẩn riêng, bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau như điều khiển công suất, nhảy tần số, phân bổ kênh linh động, và được tích hợp vào các khái niệm đa anten tiên tiến, như phối hợp chùm sóng và các giải pháp MIMO. Những tiến bộ trong tính toán công suất và hiệu suất năng lượng tại các thiết bị di động cũng là một yếu tố quan trọng cho việc thực hiện các thuật toán RRA phức tạp. Tuy nhiên, khi đó mức độ phức tạp là một vấn đề cần được xem xét khi đánh giá tính khả thi của các giải pháp đề xuất RRA. Hơn nữa một khía cạnh khác cần được chú ý là yêu cầu thông tin trạng thái kênh và kiểm soát tín hiệu tại nhiều nút mạng (ví dụ: thiết bị di động và trạm cơ sở). Công nghệ CoMP được đặc biệt dự tính trong đường xuống, trong đó một số điểm truyền dẫn địa lý được phối hợp để phục vụ truyền bá rộng rãi đồng thời tới các thiết bị người dùng (UE). Bằng cách cho phép phối hợp đầy đủ giữa các Evolved Node B (eNB), can nhiễu liên cell được quản lý hoặc loại bỏ tùy thuộc vào lựa chọn đề án truyền tải và vào độ tin cậy của thông tin trạng thái kênh (CSI). Nhờ đó trải nghiệm của người dùng cũng như hiệu năng hệ thống thu được lợi ích đáng kể trong việc quản lý can nhiễu. Bằng cách sử dụng hiệu quả CSI, quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) trong hệ thống CoMP mở ra một loạt khả năng rộng lớn khám phá kích thước không gian. 4 Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP Hơn nữa, sự phân tập của thời gian - tần số cho phép phân bổ công suất linh hoạt cho mỗi UE theo các điều kiện kênh hiện tại. Như vậy, khả năng cho việc phân phối tài nguyên vô tuyến (RRA) tăng và các thuật toán tiên tiến có thể được phát triển như: - Điều khiển, tối ưu công suất, - Tiền mã hóa không gian, - Phân bổ tài nguyên, - Lựa chọn các tế bào để truyền dẫn, và chương trình của các UE…. Các kịch bản RRA như vậy sẽ trở thành một tác vụ rất khó khăn việc đánh giá các mức độ hiệu quả. 1.2. Mục tiêu, đóng góp của luận văn Tăng cường CoMP (Coodinated Multi Point Transmission and Reception) là kỹ thuật mà ở đó các thiết bị được điều khiển tăng cường thu phát của nhiều điểm trong một và nhiều Cell. Đây là công nghệ được giới thiệu và chuẩn hóa trong hệ thống LTE/LTE-A với mục tiêu tăng tốc độ, cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần. Song song với các ưu điểm của công nghệ CoMP, khi tăng cường CoMP cũng gặp phải rất nhiều khó khăn trong việc điều khiển, cấp phát tối ưu tái sử dụng tài nguyên vô tuyến, đồng bộ mạng … Để giải quyết các bài toán đó đã có nhiều tác giả nghiên cứu, đánh giá trong các mô hình khác nhau cho một người dùng, nhiều người dùng thông qua sự kết hợp của 3 Cell và nhiều Cell. Trong khuôn khổ luận văn với mục tiêu nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP, luận văn nghiên cứu đánh giá ưu nhược điểm của mô hình truyền thống, tìm hiểu cơ chế tăng cường CoMP trong các Cell và thông qua phân tích tối ưu tài nguyên vô tuyến đi sâu thực hiện điều khiển công suất để tối ưu hệ thống khi tăng cường CoMP. 5 Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ góp phần giải quyết vấn đề tối ưu điều khiển công suất nhằm tối ưu dung lượng Cell khi tăng cường CoMP. 1.3. Bố cục luận văn  Chương 1 Giới thiệu chung trình bày bối cảnh hiện tại của hệ thống thông tin di động, mục tiêu đóng góp và bố cục của luận văn  Chương 2 trình bày lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động, sau đó đi sâu vào trình bày, phân tích công nghệ LTE/LTE-A đã và đang được triển khai trên thế giới cũng như ở Việt Nam. - Các kỹ thuật liên quan trong công nghệ LTE/LTE-A như Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM), MIMO, RELAY, D2D,.. và đặc biệt là công nghệ CoMP nhằm nâng cao tốc độ, mở rộng băng thông và hiệu suất của mạng. - Khái niệm, mô hình CoMP được trình bày, sau đó đi sâu vào nghiên cứu phân tích chi tiết đặc điểm, cấu trúc và các kỹ thuật. Phương trình toán học cho đường xuống của một hệ thống CoMP được đưa ra.  Chương 3 Tối ưu tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP - Trình bày mục đích, ý nghĩa của việc quản lý tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến của hệ thống thông thường và hệ thống CoMP - Nghiên cứu đánh giá ưu nhược điểm mô hình đường xuống của một cụm CoMP, gồm ba trạm gốc khu vực (BSSs), thông qua phân tích tối ưu tài nguyên vô tuyến đi sâu thực hiện điều khiển công suất để tối ưu hệ thống khi tăng cường CoMP. - Mô phỏng, đánh giá các kết quả thu được. Xây dựng một thuật toán bán phân bổ với độ phức tạp thấp được đề xuất sử dụng trên thực tế.  Chương 4 Kết luận và hướng phát triển - Đánh giá kết quả nội dung của luận văn và kiến nghị, đề xuất hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo. 6 Nghiên cứu phân phối tài nguyên vô tuyến khi tăng cường CoMP CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ LTE VÀ CÁC KỸ THUẬT LIÊN QUAN 2.1. Hệ thống thông tin di động 2.1.1. Tóm tắt lịch sử của hệ thống viễn thông di động quốc tế Với nhu cầu phát triển mạng truyền thông không dây yêu cầu cho tốc độ dữ liệu cao và kết nối đáng tin cậy, hệ thống viễn thông di động, được biết đến rộng rãi như các mạng di động, đã trải qua nhiều diễn biến mang tính cách mạng trong nửa thế kỷ qua. Full IP 3,5G HSPA 42Mb/s Data/PS 2,5G GPRS 100kb/s Digital Analog 1G- Thoại 2G(GMS) 1990 Chuyển vùng di động 9,6kb/s 4G(LTE) 2010 Khả năng tới 300Mb/s 3G(UTMS) 2003 Đa phương tiện hình ảnh 2Mb/s x10 LTE-A 1Gb/s x200 x4200 x30000 5G 2020 ? Hiệu suất quang phổ siêu năng x100000 (?) Tỷ lệ tăng dữ liệu 1980’s 1990’s 2000’s 2010’s 2020’s Hình 2.1: Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triển vào những năm cuối thập niên 70, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) [12]. Các hệ thống điển hình thuộc thế hệ di động thứ nhất gồm có hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS (Advanced Mobile Phone Service) do phòng thí nghiệm AT&T Bell triển khai năm 1982, hệ 7