CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG LTE

Đồ án sẽ bao gồm các nội dung chính như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về LTEĐiểm qua lộ trình phát triển của mạng vô tuyến và đặc điểm đặc trưng của LTE.Chương 2: Điều khiển công suất trong LTEĐiều khiển công suất trong LTE và các phương pháp điều khiển công suất.Chương 3: Điều khiển công suất một phầnĐưa ra khái niệm, công thức và hiệu suất của điều khiển công suất một phần trong LTE.Chương 4: Điều khiển công suất dựa trên nhiễuĐưa ra kĩ thuật điều khiển công suất dựa trên nhiễu, khái niệm về điều khiển công suất dựa trên nhiễu suy rộng.Chương 5: Điều khiển công suất dựa trên nhiễu ôĐưa ra thiết kế của điều khiển công suất dựa trên nhiễu ô.

Chương 1 Giới thiệu về công nghệ LTE

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2 Điều khiển công suất trong LTE

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 3 Điều khiển công suất một phần

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 4 Điều khiển công suất dựa trên nhiễu

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 5 Điều khiển công suất dựa trên nhiễu ô

Đồ án tốt nghiệp đại học

Đồ án tốt nghiệp đại học

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN

THÔNG KHOA VIỄN THÔNG 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI:

“CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG LTE”

Giáo viên hướng dẫn : Th.S LÊ TÙNG HOASinh viên thực hiện : TRẦN QUỐC HƯNG

Khóa : 2008 - 2013

Hà nội, 2012

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG 1

Nội dung của đồ án được chia thành ba phần chính như sau:

 Giới thiệu tổng quan về LTE

 Điều khiển công suất trong LTE

 Điều khiển công suất một phần

 Điều khiển công suất dựa trên nhiễu

 Điều khiển công suất dựa trên nhiễu ô

Ngày giao đồ án: 20/ 9/ 2012

Ngày nộp đồ án: 10/12/2012

Ngày 10 tháng 12 năm 2012 Giáo viên hướng dẫn

Th.s: Lê Tùng Hoa NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM

(Của giáo viên hướng dẫn)

Mạng thông tin di động với số lượng thuê bao tăng không ngừng đang thu hút sự quantâm của nhiều nhà vận hành mạng và cung cấp dịch vụ Mạng di động được triển khai

và nâng cấp nhanh chóng từ mạng thế hệ 1G, 2G cho đến 3G và tương lai là 4G nhằmphục vụ nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của người sử dụng Tương lai gần củamạng di động sẽ là 4G và LTE là một ứng cử viên sang giá cho 4G tại Việt Nam cũngnhư nhiều nước trên thế giới

Tuy nhiên do đặc thù của mạng không dây, thuê bao di động chịu ảnh hưởng lớn củanhiễu gây ra bởi các thuê bao khác trong môi trường đa truy nhập Điều khiển công

suất được đưa ra với mục đích giảm nhiễu trên hệ thống Đồ án “Các phương pháp điều khiển công suất trong LTE” của sinh viên Trần Quốc Hưng lớp D08VT4 tập

trung tìm hiểu điều khiển công suất một phần, điều khiển công suất dựa trên nhiễu vàđiều khiển công suất dựa trên nhiễu ô trong LTE

Nội dung của đồ án được trình bày mạch lạc theo kết cấu sau:

• Giới thiệu tổng quan về LTE

• Điều khiển công suất trong LTE

• Điều khiển công suất dựa trên nhiễu

• Điều khiển công suất dựa trên nhiễu ô

Trong quá trình thực hiền đồ án, sinh viên Trần Quốc Hưng đã thể hiện tính độc lập,chủ động nghiên cứu hoàn thành đồ án cũng như tích cực trao đổi với giáo viên hướngdẫn về những nội dung còn vướng mắc

Dựa vào nội dung hoàn thành của đồ án và thái độ thực nghiêm túc làm đồ án của sinhviên đề nghị hội đồng chấm đồ án thông qua

Điểm: (bằng chữ ……… )

Ngày 10 tháng 12 năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

Th.s: Lê Tùng Hoa

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ, CHO ĐIỂM

(Của Người phản biện)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Điểm: (bằng chữ ……… )

Ngày tháng năm

Giáo viên phản biện

LỜI NÓI ĐẦU

Tiếp theo mạng thông tin di động (TTDĐ) thế hệ thứ 3(3G), Liên minh Viễnthông quốc tế (ITU) đang hướng tới một chuẩn cho mạng di động tế bào mới thế hệthứ 4 (4G) 4G có những tính năng vượt trội như: cho phép thoại dựa trên nền IP,truyền số liệu và đa phương tiện với tốc độ cao hơn rất nhiều so với các mạng di độnghiện nay Theo tính toán, tốc độ truyền dữ liệu có thể lên đến 100 Mb/s, thậm chí lênđến 1 Gb/s trong các điều kiện tĩnh

Ở Việt Nam, hiện nay 3G đang phát triển rầm rộ và để tiến lên 4G không còn xanữa Theo tin từ Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam (VNPT), đơn vị này vừahoàn thành việc lắp đặt trạm BTS sử dụng cho dịch vụ vô tuyến băng rộng công nghệLTE, công nghệ tiền 4G đầu tiên tại Việt Nam và Đông Nam Á

LTE viết tắt của từ Long Term Evolution, là một hệ thống công nghệ được phát triển từ họ công nghệ GSM/UMTS (WCDMA, HSPA) đang được nghiên cứu, thử nghiệm để tạo nên một hệ thống truy cập băng rộng di động thế hệ mới, hướng đến thế hệ thứ 4G.

Trong hệ thống thông tin di động, các máy di động đều phát chung một tần số cùng lúc nên chúng gây nhiễu đồng kênh đối với nhau Chất lượng truyền dẫn vô tuyến đối với từng người sử dụng trong môi trường đa truy cập phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu Để đảm bảo tỷ số này không đổi và lớn hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển công suất máy phát của người sử dụng theo khoảng cách của nó với trạm gốc Điều khiển công suất được sử dụng cho đường lên để tránh hiện tượng gần xa và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống Ngoài việc giảm hiện tượng gần xa, điều khiển công suất còn được sử dụng để duy trì công suất phát trên một người sử dụng để đảm bảo tỷ số lỗi bit ở mức cho trước tối thiểu chấp nhận được Như vậy điều khiển công suất còn góp phần làm tăng tuổi thọ của pin máy di động

Để hòa nhập với xu thế chung, em đã chọn đề tài “ Các phương pháp điều khiểncông suất trong LTE” để có cơ hội nghiên cứu, tìm hiểu kĩ hơn về công nghệ mới này.Đồng thời giúp người đọc có cái nhìn tổng quát về các phương thức điều khiển công suất

nhằm cải thiện hiệu năng cho người dùng Đồ án sẽ bao gồm các nội dung chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về LTE

Điểm qua lộ trình phát triển của mạng vô tuyến và đặc điểm đặc trưng của LTE

Chương 2: Điều khiển công suất trong LTE

Điều khiển công suất trong LTE và các phương pháp điều khiển công suất

Đưa ra khái niệm, công thức và hiệu suất của điều khiển công suất một phầntrong LTE.

Chương 4: Điều khiển công suất dựa trên nhiễu

Đưa ra kĩ thuật điều khiển công suất dựa trên nhiễu, khái niệm về điều khiểncông suất dựa trên nhiễu suy rộng

Chương 5: Điều khiển công suất dựa trên nhiễu ô

Đưa ra thiết kế của điều khiển công suất dựa trên nhiễu ô

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô trong Khoa Viễn thông

đã luôn nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập tạitrường, là nền tảng giúp em có thể thực hiện đề tài tốt nghiệp này

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Cô Lê Tùng Hoa, người đã hết lòng hướngdẫn, chỉ bảo trong suốt thời gian làm đồ án, giúp em có những hướng đi đúng đắn để

có thể hoàn thành đề tài

Xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến những người bạn đã luôn hết lòng giúp đỡ ngườithực hiện trong thời gian qua

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Trần Quốc Hưng

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

PG S Pathgain to the serving Base

Station Độ lợi đường tới BS đang phục vụ

PG I Sum of pathgain to the non

serving Base Station

Tổng độ lợi đường tới các BS không phục vụ

3G 3rd Generation Technology Công nghệ truyền thông thế hệ thứ 33GPP 3rd Generation Partnership

Project Dự án đối tác thế hệ thứ 3

AMC Adaptive Modulation and Coding

Scheme Kỹ thuật điều chế và mã hoá thích ứngBER Bit Error Rate Tỉ số lỗi bit

CLPC Closed Loop Power Control Điều khiển công suất vòng đóngFPC Fractional Power Control Điều khiển công suất một phần

FTB Fixed Transmission Bandwidth Băng thông truyền dẫn cố định

G-IPC Generalized Interference Based

Power Control Điều khiển công suất dựa trên nhiễu suy rộngGSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống truyền thông di động toàn cầu

HARQ Hybrid Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp tự động lai

HSPA High Speed Packet Access Công nghệ truy nhập gói tốc độ caoIoT It is the interference over Thermal

noise

Nhiễu trên tạp âm nhiệt

IPC Interference Based Power Control Điều khiển công suất dựa trên nhiễuKPI Key Performance Indicator Chỉ số hiệu năng quan trọng

LA Link Adaptation Thích ứng đường truyền

LTE Long Term Evolution

MCS Modulation and Coding Scheme Kỹ thuật điều chế và mã hóa

MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ tối đa

Multiple Access trực giao

OLPC Open Loop Power Control Điều khiển công suất vòng đóngPAPR Peak To Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên trung bình

PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý

PS Packet Scheduler Bộ lập biểu gói

Psd Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

PUCCH Physical Uplink Control Channel Kênh điều khiển đường lên vật lýPUSCH Physical Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên vật lý

RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến

SINR Signal To Interference Noise

Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu có tạp âm

SNR Signal To Noise Ratio Tý số tín hiệu trên nhiễu

TTI Time Transmission Interval Khoảng thời gian truyền

Tx power Transmitting power Công suất phát

UE User Equipment Thiết bị người sử dụng

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LTE

Thông tin di động là một lĩnh vực rất quang trọng trong đời sống xã hội Xã hộicàng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên và thông tin

di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó Cho đến nay, hệthống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ di động thế hệ 1 đếnthế hệ 3 và thế đang phát triển trên thế giới – thế hệ 4 Trong chương này sẽ trình bàykhái quát các đặc tính chung của LTE, một công nghệ di động mới đang được pháttriển và chuẩn hóa bởi 3GPP và hướng đến 4G

1.1 Giới thiệu chung về 3GPP LTE

Số lượng thuê bao di động đã tăng lên một cách đáng kinh ngạc trong suốt thập

kỷ qua: kỷ lục một tỷ thuê bao đã được vượt qua vào năm 2002, đạt hai tỷ trong năm

2005, ba tỷ vào năm 2007 và đến cuối năm 2008 con số thuê bao đã là bốn tỷ Mỗingày trên toàn cầu có thêm hơn một triệu thuê bao mới, tức là trung bình mỗi giây lại

có thêm hơn 10 thuê bao Khoảng 60% dân số thế giới hiện đang có điện thoại diđộng Di động trở thành phương thức thông tin thoại được ưa thích hơn, các mạng diđộng đã che phủ trên 90% khu vực dân cư trên thế giới Sự gia tăng dịch vụ thoại được

hỗ trợ thêm bởi các điện thoại di động giá thấp và vùng phủ, dung lượng mạng hiệuquả, tất cả là nhờ các giải pháp được chuẩn hóa và những hệ thống mở

Các mạng di động thế hệ hai như Hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) banđầu được thiết kế để mang lưu lượng thoại trong khi dung lượng dữ liệu được thêm vàosau Việc sử dụng dữ liệu ngày càng tăng nhưng rõ ràng lưu lượng thoại vẫn vượt trội hơntrong các mạng thế hệ hai Việc đưa ra các mạng thế hệ ba với Truy nhập gói đườngxuống tốc độ cao (HSDPA) đã đẩy việc sử dụng lưu lượng dữ liệu lên đáng kể, các mạnglưu lượng thoại chiếm ưu thế đã chuyển sang các mạng lưu lượng gói chiếm ưu thế.Việc dùng lưu lượng dữ liệu cũng được nâng cao bởi một số các ứng dụng củamáy tính xách tay cần rất nhiều băng thông như truy nhập internet, intranet, chia sẻfile, các dịch vụ streaming để cung cấp nội dung video, mobile TV và trò chơi tươngtác Các nhóm dịch vụ gồm video, dữ liệu và thoại – hay còn được gọi triple play –đang tiến vào thị trường di động, thay thế cho thoại trên đường dây cố định truyềnthống và các dịch vụ dữ liệu băng rộng với các dịch vụ di động cả ở nhà và cơ quan.Các nghiên cứu hướng tới Phát triển dài hạn (LTE) của Dự án cộng tác thế hệ ba(3GPP) đã bắt đầu từ năm 2004 với việc xác định các mục tiêu Ngay cả khi HSDPAvẫn chưa được triển khai tại thời điểm đó Phải mất hơn 5 năm từ việc thiết lập cácmục tiêu hệ thống đến triển khai thương mại dùng các chuẩn tương thích với nhau Do

đó, việc chuẩn hóa hệ thống phải được bắt đầu đủ sớm để có thể sẵn sàng khi có nhucầu Vì các công nghệ có dây vẫn đang tiếp tục phát triển cho nên một sự phát triểntương tự cũng được yêu cầu trong mạng không dây để đảm bảo rằng các ứng dụngcũng làm việc trôi chảy trong mạng không dây Ngoài ra cũng có các công nghệ khôngdây khác – bao gồm IEEE 802.16 – cũng hứa hẹn các dung lượng dữ liệu cao Cáccông nghệ 3GPP phải phối hợp và vượt qua các đối thủ cạnh tranh Dung lượng lớnhơn là một yêu cầu rõ ràng để tận dụng tối đa dải phổ sẵn có và các site trạm gốc Đâychính là các động lực thúc đẩy sự phát triển LTE

LTE phải có hiệu năng vượt trội khi so với các mạng 3GPP đang tồn tại dựa trêncông nghệ truy nhập gói tốc độ cao (HSPA) Các mục tiêu hiệu năng trong 3GPP đượcđịnh nghĩa tương ứng với HSPA trong Phát hành 6 Thông lượng người dùng đỉnh tốithiểu là 100Mbps đường xuống và 50 Mbps đường lên, gấp 10 lần HSPA phát hành 6

Độ trễ cũng phải giảm để cải thiện hiệu năng người dùng cuối Tiêu thụ công suất ở thiết

bị đầu cuối cũng phải giảm đáng kể để cho phép dùng nhiều ứng dụng đa phương tiệnhơn mà không cần sạc lại pin Các mục tiêu của LTE sẽ được trình bày ở các phần sau

1.1.1 Tổng quan về LTE

Kỹ thuật đa truy nhập trong đường xuống LTE sử dụng Đa truy nhập theo tần

số trực giao (OFDMA) và đường lên sử dụng Đa truy nhập phần chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA) Các giải pháp đa truy nhập này cung cấp tính trựcgiao giữa những người dùng, giảm nhiễu và cải thiện dung lượng hệ thống Việccấp phát tài nguyên trong miền tần số thực hiện theo giải pháp các khối tài nguyên

-180 kHz trong cả đường lên và đường xuống Chiều tần số trong lập biểu gói là một

…Người dùng 1Người dùng 2 Người dùng 3

SC-FDMA

OFDMA Tần số

Hình 1 1: Các kỹ thuật đa truy nhập trong LTE

Dung lượng mạng cao cũng yêu cầu một kiến trúc mạng hiệu quả thêm vào vớicác tính năng vô tuyến tiên tiến Mục tiêu trong 3GPP phát hành 8 là để cải thiện khảnăng mở rộng lưu lượng và tối thiểu độ trễ đầu cuối đến đầu cuối bằng cách giảm sốphần tử mạng Tất cả các giao thức vô tuyến, quản lý tính di động, nén tiêu đề và phátlại gói được đặt ở các trạm gốc được gọi là eNodeB eNodeB bao gồm tất cả các giảithuật trong Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) trong kiến trúc 3GPP phát hành 6.Hơn nữa mạng lõi được tổ chức hợp lý hơn bằng cách phân tách mặt phẳng ngườidùng và mặt phẳng điều khiển Thực thể quản lý tính di động (MME) chỉ là phần tửtrong mặt phẳng điều khiển trong khi mặt phẳng người dùng bỏ qua MME trực tiếp tớiGateway (GW) Phát triển kiến trúc hệ thống (SAE) Mạng lõi phát hành 8 này thườngđược gọi là Lõi gói phát triển (EPC) trong khi toàn bộ hệ thống cũng được gọi là Hệthống gói phát triển (EPS)

1.1.2 Các phát hành của 3GPP

3GPP đã có một sự phát triển 10 năm cho WCDMA (hay Truy nhập vô tuyếnmặt đất toàn cầu, UTRA) từ khi bắt đầu của 3GPP vào năm 1998 Các phát hành chínhcủa 3GPP được chỉ ra trong hình 1.2 bắt đầu từ phát hành WCDMA đầu tiên, Phát

2000 2001 2002 2003 2004

Phát hành 99 Phát hành 4 Phát hành 5 Phát hành 6

Phát hành 7 Phát hành 8 Phát hành 9Các chuẩn

phát hành được hoàn thành Phát hành WCDMA đầu tiên – Phát hành 99 – đã đượcxuất bản vào tháng 12 năm 1999 và bao gồm các tính năng WCDMA cơ bản với tốc

độ dữ liệu lý thuyết lên đến 2 Mbps, dựa trên các công nghệ đa truy nhập khác nhaucho chế độ Song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thờigian (TDD) Sau đó, 3GPP bỏ đi nguyên tắc phát hành theo năm và do đó tên của cácphát hành cũng thay đổi từ Phát hành 4, được hoàn thành vào tháng 3 năm 2001 Pháthành 4 không có nhiều tính năng chính của WCDMA, nhưng có phiên bản mới TDDtốc độ chip thấp (TC-SCDMA) cho chế độ TDD của UTRA Theo đó là Phát hành 5với Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) vào tháng 3 năm 2002 và Pháthành 6 với Truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA) vào tháng 12 năm 2004 choWCDMA Phát hành 7 đã được hoàn thành vào tháng 6 năm 2007 với việc đưa ra một

số cải tiến HSDPA và HSUPA Hiện tại 3GPP đã hoàn thành phát hành 8 với nhiều cảithiện vượt xa HSDPA/HSUPA (thường được gọi chung là HSPA) cũng như mang pháthành LTE đầu tiên Nội dung của phát hành 8 được hoàn thành vào tháng 12 năm 2008.Các phát hành trước đó của 3GPP có mối quan hệ với LTE trong phát hành 8.Một vài đặc tính mới được thông qua – đặc biệt với HSDPA và HSUPA – cũng đươcdùng trong LTE, như lập biểu dựa trên trạm gốc với hồi tiếp ở lớp vật lý, các phát lạilớp vật lý, thích ứng đường truyền Ngoài ra, các chuẩn LTE còn có thể dùng lại thiết

kế WCDMA ở những vùng mà nó có thể thực hiện mà không yêu cầu hiệu năng cao,

do đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái sử dụng thiết kế và nền tảng đã được pháttriển cho WCDMA Phát hành LTE đầu tiên, Phát hành 8, cung cấp các tốc độ dữ liệulên đến 300 Mbps ở đường xuống và lên đến 75 Mbps ở đường lên với độ trễ thấp vàkiến trúc vô tuyến phẳng Phát hành 8 cũng tạo điều kiện phối hợp làm việc mức vôtuyến với GSM, WCDMA và cdma2000

Hình 1 2: Các phát hành 3GPP theo thứ tự thời gian

3GPP đang đưa ra các hạng mục nghiên cứu mới cho Phát hành 9, một vài hạngmục liên quan đến các tính năng đã bị trì hoãn từ Phát hành 8 Theo kế hoạch Phát

1.2 Một số đặc điểm kỹ thuật của LTE

UE Các mục tiêu về tốc độ số liệu đỉnh nói trên được đặc tả trong UE tham chuẩn gồm:

• Khả năng đường xuống với hai anten tại UE

• Khả năng đường lên với một anten tại UE

Trong trường hợp phổ được dùng chung cho cả đường lên và đường xuống, LTEkhông phải hỗ trợ tốc độ số liệu đỉnh đường xuống và đường lên nói trên đồng thời

1.2.2 Trễ mặt phẳng C và mặt phẳng U

Cần giảm đáng kể trễ mặt phẳng điều khiển (mặt phẳng C) (chẳng hạn bao gồmtrễ chuyển đổi từ trạng thái rỗi sang trạng thái trao đổi số liệu không kể trễ tìm gọi là100ms), (hình 1.3)

Hình 1 3: Thí dụ về chuyển đổi trạng thái trong kiến trúc E-UTRAN

LTE phải có thời gian chuyển đổi trạng thái nhỏ hơn 100ms (như trong chế độrỗi của R6) vào trạng thái tích cực (như trong R6 Cell-DCH) Nó cũng cần đảm bảothời gian chuyển đổi nhỏ hơn 50ms từ trạng thái ngủ (như trong R6 Cell_PCH) vàotrạng thái tích cực (như trong R6 Cell_DCH)

Cần đảm bảo trễ trong mặt phẳng U nhỏ hơn 10ms Trễ mặt phẳng U được địnhnghĩa là trễ một chiều giữa một gói tại lớp IP trong UE (hoặc nút biên của UTRAN)đến lớp IP trong nút biên của UTRAN (hoặc UE) Nút biên của UTRAN là nút giaodiện UTRAN với mạng lõi Chuẩn phải đảm bảo trễ mặt phẳng U của LTE nhỏ hơn

5ms (hình 1.6) trong điều kiện không tải (nghĩa là một người sử dụng với một luồng sốliệu) đối với gói nhỏ (chẳng hạn tải tin bằng không cộng với tiêu đề) Rõ ràng rằng cácchế độ ấn định băng thông của LTE có thể ảnh hưởng đáng kể lên trễ.

Hình 1 4: Trễ mặt phẳng U

1.2.3 Thông lượng số liệu

Thông lượng đường xuống trong LTE sẽ gấp ba đến bốn lần thông lượngđường xuống trong R6 HSDPA tính trung bình trên một MHz Cần lưu ý rằngthông lượng HSDPA trong R6 được xét cho trường hợp một anten tại nút B với tínhnăng tăng cường và một máy thu trong UE; trong khi đó LTE sử dụng cực đại haianten tại nút B và hai anten tại UE Ngoài ra cũng cần lưu ý rằng khi băng thôngcấp phát tăng, thông lượng cũng tăng

Mặt khác thông lượng đường lên trong LTE cũng gấp hai đến ba lần thông lượngđường lên của R6 HSUPA tính trung bình trên một MHz Trong đó giả thiết rằng R6HSUPA sử dụng một anten phát tại UE và hai anten thu tại nút B; còn đường lên trongLTE sử dụng cực đại hai anten phát tại UE và hai anten thu tại nút B

1.2.4 Hiệu suất phổ tần

LTE phải đảm bảo tăng cường đáng kể hiệu suất phổ tần và tăng tốc độ bít tạibiên ô trong khi vẫn đảm bảo duy trì các vị trí đặt trạm hiện có của UTRAN và EDGE.Trong mạng có tải, hiệu suất phổ tần kênh đường xuống của LTE phải gấp bađến bốn lần R6 HSDPA tính theo bit/s/HZ/trạm Trong đó giả thiết rằng R6HSDPA sử dụng một anten tại nút B và một máy thu, còn LTE sử dụng 2 anten tạinút B và một anten tại UE

Hiệu suất phổ tần kênh đường lên trong E-UTRAN phải gấp ba đến bốn lần R6HUSPA tính theo bit/s/Hz/trạm Với giả thiết HUSPA sử dụng hai anten tại nút B vàmột anten tại UE còn LTE sử dụng hai anten tại nút B và hai anten tại UE

Cần lưu ý rằng sự khác biệt về hiệu suất phổ tần trên đường xuống và đường lên

là do môi trường khai thác khác nhau giữa đường xuống và đường lên Thông thườngđường lên rất nhạy cảm với giảm cấp kênh như nhiễu đa đường vv…vì thế giá thành

để đảm bảo hiệu quả tách sóng trong đường lên cao hơn trong đường xuống

LTE cần hỗ trợ sơ đồ ấn định băng thông khả định cỡ, chẳng hạn 5, 10, 20 và cóthể cả 15MHz Cũng cần xem xét cả việc định cỡ băng thông 1,25 hay 2,5 MHz đểtriển khai trong các vùng băng thông được cấp phát hẹp

Bảng 1.2 và 1.3 cho thấy so sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tầngiữa LTE và HSPA trên đường xuống và đường lên

HDSPA (R6) LTE Đích LTE/Đã đạtTốc độ đỉnh

sử dụng biên ô

0,006 0,0148 2-3 lần HSDPA/

đạt 2,5

Bảng 1 1: So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên

đường xuống và HSDPA.

HSUPA (R6) LTE Đích LTE/Đã đạtTốc độ đỉnh

sử dụng biên ô

đạt 2,5

Bảng 1 2: So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng phổ tần giữa LTE trên

đường lên và HSDPA.

1.2.5 Hỗ trợ di động

Hiệu năng LTE cần được tối ưu hóa cho các người sử dụng di động tại các tốc độthấp từ 0 đến 15 kmph (kmph: km/h) Các người di động tại các tốc độ cao từ 15 đến120kmph cần được đảm bảo hiệu năng cao thỏa mãn Cũng cần hỗ trợ di động tại cáctốc độ từ 120kmph đến 350kmph (thậm chí đến 500kmph phụ thuộc vào băng tần

chấp nhận đượ c cho các người sử dụng cần được cung cấp dịch vụ trong các hệ thống

xe lửa tốc độ cao Trong trường hợp này cần sử dụng các giải pháp và mô hình kênhđặc biệt Khi thiết lập các thông số lớp vật lý, LTE cần có khả năng duy trì kết nối tạitốc độ lên đến 350kmph thậm chí lên đến 500kmph, phụ thuộc băng tần được cấp phát.LTE cũng cần hỗ trợ các kỹ thuật cũng như các cơ chế để tối ưu hóa trễ và mấtgói khi chuyển giao trong các hệ thống Các dịch vụ thời gian thực như tiếng được hỗtrợ trong miền chuyển mạch kênh trước đây phải được E-UTRAN hỗ trợ trong miềnchuyển mạch gói với chất lượng tối thiểu phải bằng với chất lượng được hỗ trợ bởiUTRAN (chẳng hạn tốc độ bit đảm bảo) trên toàn bộ dải tốc độ Ảnh hưởng củachuyển giao trong hệ thống lên chất lượng (thời gian ngắt) phải nhỏ hơn hay bằng chấtlượng được cung cấp trong miền chuyển mạch kênh của GERAN

1.2.6 Vùng phủ

LTE phải hỗ trợ linh hoạt các kịch bản phủ sóng khác nhau trong khi vẫn đảmbảo các mục tiêu đã nêu trong các phần trên với giả thiết sử dụng lại các đài trạmUTRAN và tần số sóng mang hiện có

Thông lượng, hiệu suất sử dụng phổ tần và hỗ trợ di động nói trên phải đáp ứngcác ô có bán kính 5km và giảm nhẹ chất lượng đối với các ô có bán kính 30km

Như đã nói ở trên LTE phải hoạt động trong các băng thông 1,25 MHz; 2,5 MHz;5MHz; 10MHz; 15MHz; và 20MHz trên cả đường xuống lẫn đường lên Cần đảm bảolàm việc cả chế độ đơn băng lẫn song băng

Hệ thống phải hỗ trợ truyền nội dung trên toàn thể các tài nguyên bao gồm cả cáctài nguyên khả dụng đối với nhà khai thác (được gọi là Radio Band Resources) trongcùng một băng tần hoặc trong các băng tần khác nhau trên cả đường lên lẫn đườngxuống Hệ thống phải hỗ trợ lập biểu công suất, lập biểu thích ứng…

1.2.7 MBMS tăng cường

MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service: Dịch vụ đa phương quảng

bá đa phương tiện) được đưa vào các dịch vụ của LTE Các hệ thống LTE phải đảmbảo hỗ trợ tăng cường cho MBMS LTE phải hỗ trợ các chế độ MBMS tăng cường

so với hoạt động của UTRA Đối với trường hợp đơn phương, LTE phải có khảnăng đạt được các mục tiêu chất lượng như hệ thống các hệ thống UTRA khi làmviệc trên cùng một đài trạm

Hỗ trợ MBMS của LTE cần đảm bảo các yêu cầu sau:

• Tái sử dụng các phần tử lớp vật lý: để giảm độ phức tạp đầu cuối, sử dụng cácphương pháp đa truy nhập, mã hóa, điều chế cơ bản áp dụng đơn phương chocác dịch vụ MBMS và cũng sử dụng tập chế độ băng thông của UE cho cáckhai thác đơn phương cho MBMS;

• Thoại và MBMS: giải pháp LTE cho MBMS phải cho phép tích hợp đồng thời vàcung cấp hiệu quả thoại dành riêng và các dịch vụ MBMS cho người sử dụng;

• Khai thác MBMS đơn băng: phải hỗ trợ triển khai các sóng mang LTE mangcác dịch vụ MBMS trong phổ tần đơn băng

1.2.8 Triển khai phổ tần

Yêu cầu LTE làm việc với các kịch bản triển khai phổ tần sau đây:

1 Đồng tồn tại trên cùng vùng địa lý hoặc cùng đài trạm với GERAN/UTRANtrên các kênh lân cận

2 Đồng tồn tại trên các kênh lân cận hoặc chồng lấn tại biên giới các nước

3 LTE phải có khả năng hoạt động độc lập (không cần sóng mang khác)

4 Tất cả các băng tần đều được cho phép tuân theo phát hành về các nguyên tắcbăng tần độc lập

Cần lưu ý rằng trong trường hợp các yêu cầu điều phối biên giới, các vấn đề khácnhư các giải pháp lập biểu cần được xem xét cùng với các hoạt động khác của lớp vật lý

1.3 Kiến trúc mô hình LTE

Hai kiến trúc mô hính được các 3GPP WG (nhóm công tác của 3GPP) để xuấtcho kiến trúc LTE được cho trên hình 1.5, 1.6 , 1.7

Trên mô hình kiến trúc hình 1.6 các ký hiệu được sử dụng như sau R1, R2 và R3

là tên của các điểm tham khảo Gx+ ký hiệu cho Gx phát triển hay mở rộng PCRF1(Policy and changing Rules Function: chức năng các quy tắc tính cước và chính sách)thể hiện chức năng các quy tắc tính cước và chính sách phát triển các đường nối và cácvòng tròn không liên tục thể hiện các phần tử và các giao diện mới của kiến trúc LTE

Hình 1 5: Kiến trúc mô hình B1 của E-UTRAN cho trường hợp không chuyển mạng

Hình 1 6: Kiến trúc mô hình B2 của E-UTRAN trong đó Rh đảm bảo chức năng

chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt

Hình 1 7: Kiến trúc mô hình LTE theo TR 23.822

MME (Mobility management Entity) : thực thể quản lý di động

UPE (User Plane Entity) : thực thể mặt phẳng người sử dụng

SAE Anchor : Neo di động giữa các hệ thống truy nhập 3GPP(2G/3G/LTE) các hệ thống truy nhập không phải 3GPP (WLAN , WIMAX)

ASE:System Architecture Evolution : phát triển kiến trúc hệ thống

Trên mô hình kiến trúc hình 1.7, các ký hiệu được sử dụng như sau Rh thể hiệnchức năng chuẩn bị chuyển giao để giảm thời gian ngắt Dự kiện giao diện này sẽtương đối tổng quát để đảm bảo các tổ hợp khác nhau của RAT Gx+ thể hiện Gx cóthêm hỗ trợ di động giữa các hệ thống truy nhập (Inter AS) Wx+ ký hiệu cho Wx cóthêm hỗ trợ di động giữa các hệ thống Inter AS MM (Inter Access System MobilityManagement) ký hiệu cho quản lý di động giữa các hệ thống truy nhập PCFR2 thểhiện chức năng quy tắc tính cước và chính sách, trên hình vẽ chức năng này được thểhiện hai lần chỉ để thể hiện cầu hình Các đường tròn và các đường nối không lien tụcthể hiện các phần tử/giao diện mới của kiến trúc E-UTRAN

Mô hình 1.7 thể hiện kiến trúc theo TR 23.822 Trong đó các giao diệnđược đặc tả chi tiết

1.4 Kết luận

LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đ bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term

Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.

Như vậy, chương một cho ta cái nhìn tổng quan về công nghệ LTE, một số đặc điểm kỹ thuật của LTE cũng như các kiến trúc mô hình LTE Đây là tiền đề để ta có thể đi vào nghiên cứu sâu hơn về LTE.

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG LTE 2.1 Dự án UTRAN LTE của 3GPP

3GPP đã thực hiện một vài dự án để cải thiện các mạng GSM tiên tiến Thiết kếcủa họ dựa trên sự cùng tồn tại: mỗi hệ thống mới đưa ra một vài yếu tố và công nghệmới trong khi vẫn tiếp tục sử dụng kiến trúc mạng trước đó

Các dự án về mặt kỹ thuật và theo thứ tự thời gian thực hiện theo xu hướng tronghình 2.1 GSM đã phát triển thành tốc độ dữ liệu tăng cường cho sự phát triển GSM(EDGE) và dẫn đầu trong đó, công nghệ WCDMA được đưa ra, mở đường cho cácmạng như Truy nhập gói tốc độ cao (HSPA)

LTE là một hệ thống hiện đang được tiêu chuẩn hoá Nó có các mục tiêu là đạtđược tốc độ dữ liệu đỉnh là 100 Mbps trên đường xuống và 50 Mbps trên đường lên

Nó cũng nhằm đảm bảo khả năng cạnh tranh trong 10 năm tiếp theo và hơn thế nữa.Ngoài việc tăng tốc độ dữ liệu đỉnh, nó còn có một vài yêu cầu khác như sau:

• Nâng cao hiệu quả phổ, từ hệ số 2 lên đến 4 khi so sánh với HSPA R6

Hình 2 1: Dự án phát triển LTE của 3GPP được lên kế hoạch để cùng tồn tại

trong tương lai mạng

Các thay đổi về chức năng và công nghệ được đưa ra trong LTE để đạt đượccác mục tiêu và yêu cầu sắp tới ví dụ như chuyển dịch đến một mạng toàn IP đểthích ứng với các yêu cầu lưu lượng Để đạt được điều này, một giao diện vô tuyếnthích hợp là cần thiết

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) đã được lựa chọn là kỹthuật truy nhập cơ bản cho đường xuống (DL) vì khả năng loại trừ đa đường, hiệu quảphổ cao và khả năng mở rộng băng thông Tuy nhiên đường lên (UL) còn phụ thuộcvào nhiều điều kiện khác

2.1.1 Đường lên LTE

Một trong những hạn chế của OFMDA là nó chịu một PAPR cao (tỷ số công suấtđỉnh trên trung bình), nên đòi hỏi công suất truyền dẫn cao hơn để duy trì một BERmong muốn Đây là một tình huống cần tránh trong điện thoại di động vì chúng bị giớihạn công suất Vì lý do này các kỹ thuật được chọn cho đường lên là SC-FDMA – làmột dạng sửa đổi của OFDMA cung cấp các đặc tính tốt hơn về PAPR Kỹ thuật này

và công nghệ được triển khai trong đường lên LTE cho phép xử lý linh hoạt các tàinguyên giao diện vô tuyến mà tạo ra nhiều khả năng sẵn sàng trên tần số và thời gian,đặc biệt là tốt hơn khi so sánh với các hệ thống khác

2.1.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến trong đường lên LTE

Trong đường lên UTRAN LTE, các kỹ thuật điều chế và mã hoá (MCS), băngthông, tần số phát và mật độ phổ công suất được sử dụng cho truyền dẫn có thể thay

đổi nhanh, cứ mỗi 1 ms – Time Transmission Interval (TTI) đưa ra các công cụ để xácđịnh các chức năng.

Hai thực thể chính được đưa ra: đầu tiên là bộ lập biểu gói (Packet Scheduler PS), đây là thực thể cốt lõi trong Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) Thứ hai làkhối thích ứng đường truyền (Link Adaptation Unit - LA) Một kiến trúc đơn giảnđược minh hoạ trong hình 2.2

-Để thực hiện việc phân bố các nguồn tài nguyên, bộ lập biểu gói nhận nhiềuthông tin đầu vào từ bộ Quản lý báo cáo trạng thái bộ đệm, các tham số QoS, bộ quản

lý HARQ và khối LA Bộ quản lý báo cáo bộ đệm cho biết thông tin về dữ liệu đượctruyền từ người dùng cho phép ví dụ, không cung cấp tài nguyên cho những ngườidùng không có dữ liệu để truyền Tham số QoS giúp xử lý các loại dữ liệu được truyền

để tạo ra sự khác biệt và/hay tính ưu tiên cho người dùng Quản lý HARQ cho phép ưutiên người dùng có các yêu cầu phát lại đang chờ xử lý Băng thông truyền dẫn thíchứng (ATB) khai thác khả năng để thay đổi băng thông phát của người dùng trong thờigian hoạt động một cách nhanh chóng

Hình 2 2: Tập hợp con của các chức năng RRM – Điều khiển công suất là một trong những chức năng của Khối thích ứng đường truyền và đối tượng của

nghiên cứu.

Trong LA, kỹ thuật điều chế và mã hoá thích ứng (AMC) được sử dụng để thayđổi kỹ thuật điều chế và mã hoá (MCS) được triển khai để thích ứng với các biến đổikênh Nó có thể chọn MCS thích hợp nhất sau khi PS đã cấp phát một băng tần số.Điều khiển công suất (PC) chịu trách nhiệm quản lý mật độ phổ công suất phát (psd)của mỗi người dùng Khi nó phục vụ như giao diện với ATB, nó sắp xếp cho các giớihạn công suất đầu cuối giữ nguyên khi băng thông truyền dẫn thay đổi

Có thể thấy rằng PC là một trong những chức năng RRM Tác động của nókhông tách riêng khỏi PS nhưng bản thân nó là một chức năng.

2.1.3 Điều khiển công suất trong đường lên UTRAN LTE

Xem xét những hệ quả cụ thể của việc sử dụng SC-FDMA, điều khiển công suấttrong hệ thống được phân tích và hiểu như sau:

• Từ quan điểm hệ thống: cần phải giảm tác động của nhiễu xuyên ô

• Từ quan điểm của người sử dụng: đạt được SINR yêu cầu

Hai điều đó là trái ngược với nhau vì nhiễu là một hệ quả của công suất phát

PC đóng vai trò như một phần của khối LA với mục đích kiểm soát psd phát của người

sử dụng với lý do phù hợp các mức tín hiệu yêu cầu về việc bù các biến đổi kênh đặctrưng của hệ thống truyền thông di động Theo đó để có thể bù được các biến đổi kênh,các kỹ thuật được chia thành 2 loại:

• Điều khiển công suất chậm: được thiết kế để bù cho các biến đổi kênh chậm(tổn hao tuyến phụ thuộc khoảng cách, tổn hao ăn ten và fading che khuất)

• Điều khiển công suất nhanh: cũng được thiết kế để bù cho các biến đổi kênhnhanh (fadinh nhanh)

Có 2 kỹ thuật điều khiển công suất khác biệt nhau, có liên quan đến các tính chấtcủa thông tin được gửi đến đầu cuối di động để thiết lập công suất phát:

• Điều khiển công suất vòng mở: Công suất được thiết lập tại đầu cuối di độngnhờ các thông số và số đo thu được từ các tín hiệu được gửi từ eNodeB.Trong trường hợp này không có phản hồi gửi đến BS về công suất được sửdụng để truyền dẫn

• Điều khiển công suất vòng đóng: các UE gửi phản hồi về eNodeB, mà sau đó

sẽ được sử dụng để xác định công suất phát của người sử dụng

Điều khiển công suất chậm, nhanh, vòng mở và vòng đóng giúp tạo một ý tưởng

về độ phức tạp thực thi và mức hiệu năng mong đợi Ví dụ, giả định rằng kỹ thuật điềukhiển công suất vòng đóng nhanh yêu cầu mào đầu tín hiệu cao nhưng đồng thời nó sẽcung cấp một cơ chế nhanh để bù cho nhiễu và điều kiện kênh Mặt khác, điều khiểncông suất vòng mở chậm sẽ cho kết quả trong việc thực hiện đơn giản hoá và ít báohiệu nhưng sẽ không thể bù cho các điều kiện kênh cho từng người sử dụng

Một công thức điều khiển công suất đã được nhất trí trong hội nghị 3GPP vàotháng 6 năm 2007, trong đó điều khiển công suất trong LTE đường lên dự kiến sẽbao gồm cả vòng đóng và vòng mở Điều đó có nghĩa là phạm vi chính của điềukhiển công suất trong LTE đường lên là để bù cho kênh biến đổi chậm và có thể bùcho các điều kiện nhiễu, trong khi các cơ chế khác (như AMC nhanh) thích ứngđược với các biến đổi nhanh

Tuy nhiên, trong khi công thức đã được đồng ý thì các thuật toán xác định việc

sử dụng khía cạnh vòng đóng vẫn còn mở Điều này và điều kiện nhiễu xuyên ô, cả 2đều được minh hoạ trong hình 2.3 Cũng có một thực tế là điều khiển công suất chỉ bùđược cho các biến đổi kênh chậm

Hình 2 3: Kịch bản làm việc điều khiển công suất – chuẩn hóa điều khiển công suất bao gồm một vòng mở và một vòng đóng Nhiễu cơ bản là xuyên ô 2.2 Mục đích nghiên cứu

Đối tượng của nghiên cứu của đề tài này là điều khiển công suất Công việc hiện giờ

là ta có cái nhìn tổng quan, để có thể cụ thể rõ phạm vi và cách nó được đánh giá

2.2.1 Trạng thái của kỹ thuật

Cụ thể về điều khiển công suất, đã có nghiên cứu che phủ điều khiển côngsuất vòng mở, với một đánh giá về hiệu suất và các khả năng ban đầu của nó.Nghiên cứu khác đang tìm hiểu những phương pháp tiếp cận liên kết giữa PS và

PC, xác định các điều kiện nhiễu

Một kỹ thuật mới thực hiện với điều khiển công suất LTE đường lên được đềsuất trong đó điều khiển vòng đóng được xét để cải thiện hiệu suất ban đầu của FPCbằng cách dùng thông tin về nhiễu do người dùng tạo ra

Bên cạnh đó, một số nghiên cứu về cách hệ thống hoạt động với ATB và vớiAMC, để cung cấp nền tảng và tạo các giả thiết cần thiết

2.2.2 Phạm vi

Mục tiêu của nghiên cứu này là :

• Nghiên cứu kỹ thuật FPC được trình bày trong công thức chuẩn hiện hành đểthu được hiệu năng tham chiếu và khung phân tích.

• Đưa ra các kỹ thuật điều khiển công suất khác nhau mà cung cấp độ lợi hơnFPC, trong đó sẽ xác định một tiêu chuẩn về cách chỉnh sửa vòng đóng, cũngđưa ra các khía cạnh nghiên cứu tiềm năng cho tương lai

2.2.3 Đánh giá phương pháp luận

Để hoàn thành các mục tiêu được đề suất, một mô hình hệ thống đơn giản là cầnthiết, trong đó các chức năng của PS và AMC (hình 2.2) được đơn giản hoá để tậptrung vào các kết quả điều khiển công suất

Với mục đích này, một cách tiếp cận mô phỏng tĩnh đơn giản được sử dụng trong

đó tập trung vào điều khiển công suất và bỏ qua tác động của các chức năng RRMkhác như ATB (băng thông truyền dẫn cố định (FTB) được giả định), lập biểu theokênh và phát lại Cách tiếp cận này chủ yếu bao gồm lấy một "snapshot" của hệ thống,trong đó cấu hình cho các người sử dụng phát với một psd nhất định, và tiến hành tínhtoán các phân bố nhiễu và tín hiệu

Để đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật ban đầu và kỹ thuật được đưa ra, một vàichỉ số hiệu năng quan trọng (Key Performance Indicators) (KPI) đã được chọn:

• Thông lượng ô: Đây là tổng thông lượng đường lên của những người sử

dụng được phục vụ bởi 1 ô nhất định Trong đồ án tất cả thông lượng đượcxem là ở mức liên kết (link)

• Thông lượng outage X% ile: Đây là thông lượng tại điểm X% của hàm phân

bố tích lũy (CDF) của thông lượng người dùng Đây là một chỉ số về hiệunăng vùng phủ sóng

• Nhiễu trên Tạp âm nhiệt (IoT): Nhiễu nhận được ở một ô được chuẩn hóa theo

mức nhiễu nhiệt Chuẩn hoá được thực hiện để so sánh các kết quả khác nhau

• SINR người sử dụng, Công suất phát (Tx power): phân bố của công suất

phát người sử dụng và SINR đã trải qua

Phạm vi của việc sử dụng các KPI này là cung cấp một phép đo định lượng độ lợicủa một kỹ thuật điều khiển công suất cụ thể theo hiệu năng hệ thống cũng như củangười sử dụng Hai chỉ số đầu tiên thường được theo dõi với nhau (hình 2.4) vì chúngcho phép xác định nhanh chóng độ lợi

Hình 2 4: Ví dụ so sánh hiệu năng giữa các kỹ thuật điều khiển công suất – so sánh điểm tham chiếu của kỹ thuật điều khiển công suất A và B, xác định vùng

của cả thông lượng outage và thông lượng ô 2.3 Kết luận

Kỹ thuật SC-FDMA và các công nghệ được triển khai trong đường lên LTE chophép xử lý linh hoạt các tài nguyên giao diện vô tuyến mà tạo ra nhiều khả năng sẵnsàng trên tần số và thời gian, đặc biệt là tốt hơn khi so sánh với các hệ thống khác Việc điều khiển công suất là một trong những chức năng của quản lý tài nguyên

vô tuyến Đồng thời, các kỹ thuật điều khiển công suất khác nhau sẽ góp phần cảithiện hiệu năng cho người sử dụng

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT MỘT PHẦN

Chương này tập trung vào điều khiển công suất vòng mở của công thức điềukhiển công suất được chuẩn hóa trong LTE

Vấn đề quan tâm liên quan đến truyền dẫn diễn ra trong kênh chia sẻ đường lên vật lý(PUSCH), và kênh điều khiển đường lên vật lý (PUCCH) các chi tiết kỹ thuật sau đóđược rút ra chỉ đối với những khía cạnh vật lý được liên quan

3.1 Công thức PC được chuẩn hoá

Công suất phát được thiết lập tại thiết bị người sử dụng (UE), sử dụng các thông

số nhận được từ eNodeB và các lệnh điều khiển Công thức điều khiển công suất cho

• P Max: là công suất phát tối đa đầu cuối cho phép phát Nó phụ thuộc vào lớpUE

• M: là số khối tài nguyên vật lý (PRBs) được cấp.

• P 0: là một tham số đặc trưng và riêng của ô để xác định công suất thu đích

Nó được đo bằng dBm, thể hiện công suất trên 1 PRB

• α: một tham số đặc trưng ô, được phát quảng bá, xác định bậc của bù tổn hao

tuyến cho điều khiển công suất một phần

• PL: là tổn hao tuyến đường xuống được dự đoán tại UE.

• mcs: độ lệch phụ thuộc MCS Nó là đặc trưng của UE.

• (f(∆ i )): là một hàm mà cho phép sử dụng các giá trị hiệu chỉnh tương đối, tích

lũy hoặc tuyệt đối Nó là đặc trưng của UE

Để nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển công suất, một số giả định và đơn giảnhoá là cần thiết để tập trung vào mức liên kết Mục tiêu là nghiên cứu nền tảng của các

kỹ thuật PC khác nhau và sau đó thảo luận về cách thực hiện của chúng thích ứng vớicông thức (3.1) Đó là:

• P Max: cố định tại 250 mW

• P 0: bằng nhau cho tất cả các ô trong hệ thống

• α: cũng bằng nhau cho tất các các ô trong hệ thống.

• PL: giả thiết là bằng với tổn hao tuyến đường lên.

Các tham số P 0 và α được báo hiệu từ eNodeB đến các UE bằng cách phát quảng

bá Cùng với phép đo tổn hao tuyến, cấc tham số này cung cấp đầy đủ thông tin đểngười sử dụng thiết lập công suất phát ban đầu của mình, đó là điều khiển công suấtvòng mở Các tham số và ∆i (theo chức năng của nó) có thể được báo hiệu cho bất kỳ

UE nào một cách riêng biệt như một phần trong trường hỗ trợ của UE, sau khi nó thiếtlập công suất Tx ban đầu của nó theo điều khiển vòng mở và gửi thông tin phản hồiđến eNodeB Đây là kỹ thuật điều khiển công suất vòng đóng

Theo đó, khi bất kỳ người sử dụng nào thiết lập công suất phát của họ, điểm khởiđầu là vòng mở Nó được thiết kế theo nguyên tắc điều khiển công suất một phần(FPC), được nghiên cứu tiếp theo trong chương này

3.2 Khái niệm điều khiển công suất một phần

Từ quan điểm của RRM, phạm vi của điều khiển công suất là để xác định côngsuất phát trong một PRB theo công thức (3.1), cho phép UE chia công suất đó vàobăng thông truyền dẫn được cấp (BW) Điều này nghĩa là cuối cùng nó sẽ phát với mộtcông suất không đổi trong mỗi PRB được cấp, hay nói một cách khác, nó sẽ có mộtmật độ phổ công suất không đổi trên băng thông truyền dẫn

Vì lý do này, tham số 10 · log 10 M có thể được tách ra từ phương trình (3.1) và

hơn nữa, từ quan điểm của RRM công suất giới hạn có thể được bỏ qua vì nó tươngứng với UE chú ý đến nó

Cuối cùng, bỏ đi phần điều khiển vòng đóng, công thức cuối cùng trong phươngtrình (3.2), được gọi là công thức FPC:

[dBm] (3.2)

Phương trình này có đơn vị dBm theo đơn vị của P 0, tuy nhiên, nó đại diện chotổng công suất trong một PRB Đại lượng này được tỷ lệ so với định nghĩa thôngthường của Watts trên Hertz (W/Hz) do băng thông của một PRB

Về quy ước, các biểu thức viết theo đơn vị dB thì được hiển thị trong các chữ cáiviết hoa trong khi tuyến tính thì không viết hoa Ngoài ra, việc nghiên cứu thông tin độlợi tuyến như là nghịch đảo tuyến tính của tổn hao tuyến được ưa thích hơn Khi đó,phương trình (3.2) được viết lại theo dB như phương trình (3.3) hoặc theo mW nhưphương trình (3.4)

[mW] (3.4)

Với PG là độ lợi tuyến của người sử dụng đến trạm gốc phục vụ.

Để tìm hiểu khái niệm FPC, đầu tiên ta nghiên cứu vai trò của các tham số P 0 và

Hình 3 1: Bù PSD với tổn hao tuyến.

Trường hợp thứ 2, α = 0,4, chỉ ra kết quả có xu hướng tương tự nhưng với phân

bố phổ ít hơn Các độ dốc khác nhau (độ dốc là α khi hệ số này có đơn vị là dB) cho

thấy phụ thuộc vào độ lợi tuyến, bù cho tổn hao tuyến là khác nhau Ví dụ tại độ lợituyến là -80 dB, sự khác biệt về PSD giữa 2 trường hợp là khoảng 46 dB, trong khi độlợi tuyến là -130 dB thì sự khác biệt là 76 dB Điều đó được giải thích là người sử

dụng mất liên lạc với ô (PG thấp) và bị thiệt nhiều hơn theo giá trị α.

Trường hợp α = 0 thể hiện là không có điều khiển công suất, tất cả người sử dụng phát với cùng công suất, trong khi với α = 1 là khi họ phát với công suất mà dự định

bù hoàn toàn cho độ lợi tuyến của họ, một trường hợp được gọi là "bù đầy đủ"

Các giá trị của α giữa 0 và 1 là những trường hợp mà biểu diễn một sự thoả hiệp giữa

bù đầy đủ và không điều khiển công suất, tức là chỉ một phần của độ lợi tuyến được bùcho người sử dụng Do đó kỹ thuật này có tên là Điều khiển công suất một phần

Theo đặc tính kỹ thuật, α có thể có các giá trị [0; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1] Cần chú ý rằng giá trị α = 0 có nghĩa là tắt điều khiển công suất, trong khi các giá trị

tiếp theo lại là 0,4 Thực tế không có các giá trị giữa 0 và 0,4 chỉ ra rằng trong các chỉtiêu kỹ thuật vẫn có những trường hợp không cần quan tâm

Để mở rộng sự phân tích về các tác động của 2 tham số, nhiều hơn mức psd cần

được phân tích SINR của người sử dụng i, được biểu diễn trong phương trình (3.5), là

hệ số đầu tiên cần quan tâm

(3.5)

Với s i là SINR của người sử dụng i, r PSD là psd thu được của người sử dụng i tại BS

phục vụ của nó I là mật độ nhiễu trong khi n là mật độ tạp âm nhiệt, cả hai đều được

nhận thấy tại BS phục vụ người sử dụng i Biểu thức này và các biểu thức sau chỉ hợp

lý đối với giá trị tức thời trong đó không có phần tử biến đổi và đối với khi những mật

độ đó không đổi theo toàn bộ băng thông truyền dẫn

Mật độ công suất thu được r x có thể được đơn giản hoá thành phương trình (3.6),

là psd được phát trên băng thông truyền dẫn nhân với tổng độ lợi tuyến pg.

(3.8)Hình 3.2 cho thấy một Hàm phân bố tích lũy của SINR của người sử dụng trongmột hệ thống Hai ví dụ về cách thông tin được tách ra từ hàm này, được minh hoạ:

cho P 0 = -65dBm, một người sử dụng được chọn ngẫu nhiên có xác suất 50% trải qua

một SINR 5 dB hoặc ít hơn Cùng trường hợp đó, 10% người sử dụng có phân bố thuđược trải qua SINR ít hơn 1dB

Phương trình (3.8) không tỷ lệ thuận với P 0 Ví dụ hình 3.2 chỉ ra khi P 0 tăng

5dB không dẫn đến cùng mức tăng cho SINR Trong thực tế, vì P 0 bằng nhau với tất

cả người sử dụng trong hệ thống, cho nên khi P 0 tăng sẽ tăng công suất phát Tx của họ

và do đó, tăng nhiễu được nhận thấy bởi tất cả các BS

Hình 3 2: Ảnh hưởng của P 0 đối với SINR.

Tương tự, sự thay đổi của α ảnh hưởng đến công suất phát của mỗi UE, làm cho công suất này cao hơn với các giá trị α cao hơn Bằng đồ thị, một độ dịch tương

tự với độ dịch gây ra bởi P 0 có thể quan sát được Tuy nhiên, như kết quả cho thấytrong hình 3.3, nó ảnh hưởng đến độ trải rộng của phân bố bởi vì nó gần đến giá trị

1, SINR trở nên tương quan hơn với PG Trong trường hợp ngược lại – khi nó xấp

xỉ 0 – độ tương quan là thấp

Từ phương trình (3.8) với α = 1 (bù đầy đủ), tất cả các UE đều được hướng tới

trải qua cùng một SINR bằng cách bổ sung hoàn toàn cho độ lợi đường của chúng

trong phân bố psd Tx Số hạng p 0 · pg(1−α) bằng 1

Phân bố cho trường hợp bù đầy đủ là gần 97% xung quanh SINR 4,8 – 5 dB

Cũng lưu ý rằng các giá trị hoạt động P 0 là khá khác nhau trong cả hai trường hợp

Trong trường hợp này P 0 được thiết lập nhằm có được mức độ nhiễu như nhau Trong

CDF này nó xác định rõ ràng làm thế nào độ trải rộng nhỏ gây ra bởi α cao, có nghĩa là

sự khác biệt nhỏ hơn trong hiệu năng đạt được của mỗi người sử dụng với sự hy sinh

hiẹu năng của những người sử dụng trung tâm ô (những người có SINR cao với α =

0,4) để cải thiện sự mất liên lạc ô (trải qua SINR thấp)

Hình 3 3: Ảnh hưởng của α đối với phân bố SINR

Xét theo SINR, α được sử dụng để thiết lập sự thoả hiệp giữa những người sử dụng outage ô và trung tâm ô trong khi P 0 điều chỉnh psd Tx, ảnh hưởng bình đẳng tớitất cả người sử dụng

Vì các tác động của các thông số lên phân bố psd và SINR cho phép khả năngđiều chỉnh nào đó, nên có thể tìm hiểu khả năng của hệ thống thu được đối với các kếthợp khác nhau của chúng

3.3 Hiệu suất điều khiển công suất một phần

Mỗi sự kết hợp khả thi của α và P 0 xác định một điểm hoạt động của FPC và mộthiệu suất hệ quả Mục tiêu bây giờ là tách ra các trường hợp cần quan tâm

3.3.1 Các điểm hoạt động

Một phương pháp tiếp cận thích hợp để nghiên cứu các điểm hoạt động khác

nhau là cố định α để xây dựng một đường cong cho các giá trị P 0 khác nhau, vì những

giá trị của α có thể được giới hạn.

Hình 3.4 cho thấy kết quả của phương pháp tiếp cận trên, lần lượt đối với thông lượngoutage ô và thông lượng ô trung bình Mối liên hệ trong hình này miêu tả sự phụ thuộc

Hình 3 4: Thông lượng Outage (trái) và ô (phải) đối với P 0 với α :0,6 và α :0,8 – Giá trị P 0 mà outage tối đa được xác định tại đây Nó không phù hợp với thông

lượng ô đỉnh.

Cả hai trường hợp α cho thấy sự tăng của thông lượng ô và outage đến P 0 nào đó,sau đó thông lượng outage cho thấy sự giảm đáng kể trong khi thông lượng ô vẫn tăngđều đặn Điều đó được quan sát điểm outage đỉnh không tương ứng cho ô và outage.Sau các điểm outage đỉnh, thông lượng ô vẫn còn cải thiện nhưng độ lợi này chỉ ở biên

Thông lượng ô và P 0 được thay đổi cho hai α khác nhau mà chỉ ra rằng cùng mức

độ đạt được với P 0 khác nhau Đó không phải là trường hợp cho outage, tuy nhiên, có

một sự thay đổi và thông lượng thấp cho α = 0,6.

Hai đường cong cùng được minh hoạ cho thấy tổng thể hiệu suất FPC tốt hơn Ví

dụ, với một tập các giá trị α, tất cả điểm hoạt động có thể được đánh giá bằng cách mô phỏng tất cả các phạm vi động của P 0, hình 3.5 cho thấy giới hạn hiệu suất của FPC sửdụng trong phương pháp này

Hình 3.5 cho thấy các giá trị α cao hơn ưu tiên hơn cho thông lượng outage trong khi

các giá trị thấp hơn dẫn đến thông lượng ô cao hơn Cần lưu ý rằng trường hợp khôngđiều khiển công suất đưa ra một hiệu suất outage rất thấp, một kết quả mà chỉ ra rằngcác mức độ nhiễu đang làm tổn hại đặc biệt đến nhóm UE này

Với tất cả các trường hợp outage đỉnh được lấy ra, một tập hợp các điểm hoạtđộng tối ưu outage có thể được xác định và được tóm tắt trong bảng (3.1)

Hình 3 5: Thông lượng outage và thông lượng trung bình cho các giá trị α khác nhau – Những đường biên của kỹ thuật điều khiển công suất này được minh hoạ,

α = 0,6 và α = 0,8 được quan tâm đặc biệt

Thông lượng Outage ô [Kbps] Thông lượng ô [Mbps]

Bảng 3 1: Các giá trị thông lượng ô và outage tối đa của FPC – Những đường

cong tham khảo được chọn là α = 0,6 và α = 0,8 khi chúng thoả hiệp cả hai hiệu

suất với các giá trị cao hơn.

Giá trị α = 0,6 được chọn trong vài nghiên cứu tham khảo vì là trường hợp tối

ưu (cùng với giá trị của P 0 làm tăng tối đa thông lượng outage mà khác một chút do

nghiên cứu này α = 0,8 cũng được chọn vì nó chứng tỏ hiệu suất tốt khi so sánh với trường hợp α = 0,6.

Đỉnh của các điểm outage cho 2 trường hợp được chọn đó là vị trí tại P 0 = -57

dBm/PRB cho α = 0,6 và P 0 = -81 dBm/Hz cho α = 0,8.

Tuy nhiên, chọn một điểm "tối ưu", là một nhiệm vụ có phần chủ quan vì điểmhoạt động này liên quan nhiều hơn đến khả năng thực thi của hệ thống, trong đó điềukiện thực tế sẽ xác định cụ thể vùng phủ ô phải được quản lý như thế nào Vì lý do nàyloại của kết luận được đưa so sánh 2 mẫu sẽ cho tầm quan trọng hơn cho các độ lợi tỷđối và các hệ quả khái niệm chứ không phải là những con số tuyệt đối

Hai kết quả phân tích cuối cùng phụ thuộc vào định nghĩa outage Một trongnhững giả thiết nghiên cứu mặc định là outage 5% Tác động của sự thay đổi đượcthấy trong hình 3.6

Hình 3 6: Các mức thông lượng cho outage khác nhau, α = 0,6, P 0 = -57 dBm Trên cdf thông lượng người sử dụng, outage đơn giản chỉ là một điểm, và vì thế

dãy tăng đơn điệu với outage % ile.

Thông lượng outage tỷ lệ thuận với giá trị outage bởi vì CDF là một hàm tăngđơn điệu Theo quan điểm thực tế, có thể hiểu thông lượng outage càng cao có nghĩavùng phủ sóng ô càng nhỏ, và vùng phủ sóng ô được coi là thấp hơn, một hiệu suất tốthơn có thể đạt được bởi người sử dụng bên trong khu vực có nhiều khả năng trải quamột mức độ tín hiệu cao

Nhìn lại hình (3.4) – các trường hợp tham khảo được chọn – nó chỉ ra thông

lượng ô trong cùng một phạm vi đối với cả hai trường hợp α, trong khi thông lượng

outage giảm đáng kể (khác biệt khoảng 25%) Do đó những hệ số khác cần phải đượcphân tích để hiểu được lý do của sự khác biệt như vậy Các mức độ nhiễu và công suấtphát là thành phần của KPI nên một cái nhìn rõ ràng về chúng là cần thiết

Hình 3.7 cho thấy thông lượng outage theo IoT trung bình, cho thấy thông lượng

outage liên quan đến mức độ nhiễu như thế nào Trường hợp α = 0,8 cung cấp thông lượng outage cao hơn 25% với IoT thấp hơn 2,5 dB so với α = 0,6 Tương tự các mức

IoT ở trên 15 dB chỉ ra rằng IoT ở trên mức độ này thì outage có xu hướng bị thiệt caokhông giống như thông lượng ô

Hình 3 7: Thông lượng outage ô – IoT trung bình cho α = 0,6 và α = 0,8 Các đỉnh khác nhau được quan sát IoT cao hơn dẫn đến hiệu suất Outage tương tự nhau.

Mức độ nhiễu trung bình là khác nhau 2,5 dB, nó được trừ đi một quan hệ phải

được biểu hiện trong công suất phát ở UE Hình (3.8) cho thấy trường hợp α = 0,8 dẫn

đến phân bố công suất thấp hơn với sự khác biệt trung bình khoảng 3 dB Điều nàyđưa ra một lý do mà các mức độ nhiễu là khác nhau trong cùng một độ lớn Sự khácbiệt lớn nhất là ở psd Tx trong đó cùng một xác suất nhưng cho độ khác biệt lên đến

thế nào số lượng của các UE được giới hạn công suất là như nhau trong cả hai trườnghợp Nó được hình dung như là một bước nhảy đột biến đến xác suất 1 trong 250 mW

= 23,97 dBm Trong khi outage cho kết quả này mặc định là 5%

Tóm lại, phân bố công suất thấp cho nên các kết quả trong các mức độ nhiễu thấpnhưng đồng thời giảm thông lượng ô Ngoài ra, có một mối liên hệ giữa số lượng UE

bị giới hạn công suất và outage: chúng có 2 trường hợp cùng tỷ lệ

Hình 3 8: Phân bố công suất phát UE cho các trường hợp tham khảo Phân bố

cho α = 0,8 thường có mức công suất thấp hơn.

3.3.2 Phân tích hiệu suất tối ưu

Bây giờ các hệ quả đằng sau các kết quả chính được nghiên cứu để giải thích cáckết quả thu được Cụ thể là nhiễu, có một vai trò quan trọng nhưng chưa được phân tích.Đại lượng ∆IoT/∆P0 và ∆I/∆P0 là sự khác biệt một phần của IoT và I (nhiễu)

trung bình đối với P 0 , trong đó đưa ra một phép đo tác động của P 0 Đây là mộtphương pháp mới của việc phân tích công thức chuẩn hoá FPC

Đối với mỗi điểm của P 0, ∆I được đánh giá là:

[dB]

Với I[P 0 ] là nhiễu thu được cho mô phỏng với một P 0 và P 0f nhất định ∆ được thiếtlập là 1 dB, nhưng các bước cấp phát của nó là không quá quan trọng miễn là nó theothứ tự độ lớn của các bước cấp phát thực tế của P0 (là 1dB)