Lập biểu phụ thuộc chất lượng kênh trong các hệ thống LTE

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

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

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

1.1.1.1 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

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

2.1.2 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

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:



(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:

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:

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]

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 FDMA 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 SC- FDMA 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

SC-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:

) ( / ) ( )

(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:

j k k

j k j

k n RDR n R n F

P, ( )  , ( ) / ( ) * ,

(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: