Đánh giá hiệu năng của một số thuật toán lập lịch trên đường downlink trong mạng LTE

Các thuật toán xoay vòng Round Robin, thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất Best CQI và thuật toán cân bằng Proportional Fair là những thuật toán lập lịch sẽ được p

===============

CAO THIỆN THẮNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LI ̣CH TRÊN ĐƯỜNG

DOWNLINK TRONG MẠNG LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2013

===============

CAO THIỆN THẮNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LI ̣CH TRÊN ĐƯỜNG

DOWNLINK TRONG MẠNG LTE

Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN NAM HOÀNG

HÀ NỘI - 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống không sao chép, những kết quả đo đạc mô phỏng có trong luận văn chưa từng được công bố từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức Các thông tin sử dụng trong luận văn có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài liệu khác

Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm 2013

TÁC GIẢ

CAO THIỆN THẮNG

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian ho ̣c tâ ̣p, nghiên cứu và hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn, em đã nhâ ̣n được sự giúp đỡ rất tâ ̣n tình và chu đáo của các thầy cô giáo trong khoa Điê ̣n tử – Viễn thông Trường Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣, Đa ̣i ho ̣c quốc gia Hà Nô ̣i

Đầu tiên em xin gửi l ời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Nam Hoàng , người đã tâ ̣n tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luâ ̣n văn tốt nghiê ̣p tha ̣c sỹ trong suốt thời gian vừa qua

Em cũng xin cảm ơn các quý thầy cô , các anh chị và các bạn tại khoa Điện tử

- Viễn thông, Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣ đã có những góp ý kịp thời và bổ ích , giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu luâ ̣n văn này

Ngoài ra , em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình , bạn bè , những người đã luôn ủng hô ̣ em trong suốt quá trình ho ̣c tâ ̣p và hoàn thà nh chương trình đào tạo Thạc sỹ tại khoa Điện tử – Viễn thông, Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣

Mă ̣c dù em đã nỗ lực và cố gắng hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn bằng tất cả nhiê ̣t tình và năng lực của mình , tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiế u sót, rất mong nhâ ̣n đươ ̣c những đóng góp quý báu của quý thầy cô và các ba ̣n

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm 2013

HỌC VIÊN

CAO THIỆN THẮNG

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TƢ̀ VIẾT TẮT

3GPP Third Generation Partnership Project

AMC Adaptive modulation and coding

BLER Block Error Ratio

eNodeB Base Station (LTE)

CLSM Closed Loop Spatial Multiplexing

CQI Channel Quality Indicator

CRC Cyclic Redundancy Check

DwPTS Downlink Pilot Time Slot

EDCF Empirical Cumulative Distribution Function

FDD Frequency Division Duplex

H-ARQ Hybrid Automatic Retransmission Request

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

MIMO Multiple Input Multiple Output

MME Mobile Management Entity

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplex Access OLSM Open Loop Spatial Multiplexing

OPP Object Oriented Programming

PBCH Physical Broadcast Channel

PCFICH Physical Control Format Indicator Channel

PDCCH Physical Downlink Control Channel

PDSCH Physical Downlink Shared Channel

PHICH Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel

PMCH Physical Multicast Channel

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

TDD Time Division Duplex

TTI Transmission Time Interval

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 0

LỜI CẢM ƠN 2

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TƢ̀ VIẾT TẮT 3

MỤC LỤC 5

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

LỜI MỞ ĐẦU 10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE 12

1.1 Một số đặc trưng của mạng LTE 12

1.1.1 Tốc độ dữ liệu đỉnh 12

1.1.2 Độ trễ 13

1.1.3 Thông lượng người dùng 13

1.1.4 Khả năng di động 13

1.1.5 Sự linh hoạt của băng thông và phổ tần số 13

1.1.6 Vùng bao phủ 14

1.2 Tổng quan về đường downlink LTE 14

1.2.1 Phương thức đa truy nhập OFDMA 14

1.2.2 Kiến trúc khung gói tin 15

1.2.3 Kênh vật lý downlink LTE 17

1.3 Mô hình kênh truyền đa anten MIMO 21

Chương 2 : THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG MẠNG LTE 23

2.1.Thuật toán xoay vòng 27

2.2 Thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất 28

2.3 Thuật toán cân bằng 30

Chương 3 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 32

3.1 Chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator 32

3.2 Các kịch bản và kết quả mô phỏng 35

3.2.1 So sánh hiệu năng giữa các thuật toán lập lịch sử dụng chung

cấu hình 36

3.2.2.Thay đổi vận tốc của người dùng 44

3.2.3.Thay đổi mô hình truyền MIMO 45

3.2.4.Thay đổi số lượng người dùng UEs/cell 47

3.2.5.Thay đổi băng thông hệ thống 50

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tỷ lệ băng thông và RBs 17

Bảng 2.1.Chỉ số CQI 25

Bảng 3.1 Cấu hình mô phỏng để so sánh hiệu năng giữa các thuật toán 37

Bảng 3.2 So sánh hiệu năng của các thuật toán lập lịch 41

Bảng 3.3 So sánh hiệu năng khi thay đổi vận tốc người dùng với PF scheduler 45

Bảng 3.4 Các mô hình kênh truyền MIMO 45

Bảng 3.5 So sánh hiệu năng khi thay đổi số UEs/cell với PF scheduler 49

Bảng 3.6 So sánh hiệu năng khi thay đổi băng thông với PF scheduler 51

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 OFDM và OFDMA 15

Hình 1.2 Cấu trúc frame LTE [6] 16

Hình 1.3 Frame loại 2 16

Hình 1.4 Kênh đường xuống LTE 17

Hình 1.5 Ký hiệu tham chiếu downlink LTE sử dụng tiền tố lặp normal 19

Hình 1.6 Qúa trình truyền trên đường downlink LTE 20

Hình 1.7 Tổ chức tài nguyên vô tuyến trên đường downlink 21

Hình 1.8 Mô hình truyền đa anten MIMO 21

Hình 1.9 Các mô hình MIMO trên đường downlink LTE 22

Hình 2.1 Đáp ứng kênh truyền LA 24

Hình 2.2 Ánh xạ giữa giá trị SNR và CQI 25

Hình 2.3 Những chức năng lớp 2 cho việc lập lịch gói tin động, đáp ứng kênh truyền và quản lý HARQ 26

Hình 2.4 Thuật toán Round Robin 27

Hình 2.5 Sơ đồ thuật toán Round Robin 28

Hình 2.6 Thuật toán Best CQI 29

Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán Best CQI 30

Hình 2.8 Sơ đồ thuật toán Proportional Fair 31

Hình 3.1 Ánh xạ CQI – BLER ta ̣i điểm BLER = 10% 37

Hình 3.2 Ánh xạ CQI – SNR ta ̣i điểm BLER = 10% 38

Hình 3.3 Phân bố UEs và eNodeBs khi lập lịch bằng thuật toán RR 38

Hình 3.4 Thông lượng người dùng khi lập lịch bằng thuật toán RR 39

Hình 3.5 Thông lượng người dùng khi lập lịch bằng thuật toán Best CQI 40 Hình 3.6 Thông lượng người dùng khi lập lịch bằng thuật toán PF 41

Hình 3.7 Hàm phân phối tích lũy của thông lượng người dùng 42

Hình 3.8 Tốc đô ̣ dữ liê ̣u ta ̣i đỉnh, tại biên và trung bình của người dùng 42

Hình 3.9 Thông lượng người dùng với UE _speed = 0.1km/h, PF

scheduler 44

Hình 3.10 Thông lượng người dùng với UE _speed = 100km/h, PF scheduler 44

Hình 3.11 Hàm phân phối tích lũy của thông lượng người dùng 46

Hình 3.12 Phụ thuộc giữa SINR và UE throughput 46

Hình 3.13.Phân bố UEs và cells khi có 5 UEs/cells, PF Scheduler 47

Hình 3.14 Phân bố UEs và cells khi có 50UEs/cell, PF Scheduler 48

Hình 3.15 Thông lượng trung bình với 5 UEs/cel, PF Scheduler 48

Hình 3.16 Thông lượng trung bình với 50UEs/cell, PF Scheduler 49

Hình 3.17 Thông lượng người dùng với bandwidth = 1.4Mhz, PF scheduler 50

Hình 3.18 Thông lượng người dùng với bandwidth = 10Mhz, PF scheduler 50

LỜI MỞ ĐẦU

Thế hệ di động thứ 4 LTE là một cuộc cách mạng của UMTS được chuẩn hóa bởi 3GPP Rel8 để theo kịp sự phát triển của mạng vô tuyến băng thông rộng với dung lượng và tốc độ truyền tải dữ liệu mức cao LTE được kích hoạt trên một

số thiết bị di động như smartphones, laptops, tablets giúp người dùng truy nhập Internet với tốc độ cao và sử du ̣ng đa dịch vụ Về mặt kỹ thuật, LTE có thể hoạt động trên dải tần rộng từ 1.4Mhz lên đến 20Mhz, cải thiện dung lượng và vùng phủ của hệ thống, hỗ trợ truyền đa anten MIMO, giảm chi phí trên đường truyền và có thể tích hợp với các hệ thống mạng di động đang tồn tại sẵn

Trong khi đó, khái niệm về lập lịch cơ bản là quá trình ra quyết định bởi 1 bộ lập lịch liên quan tới việc phân bổ tài nguyên trong cả miền thời gian và tần số đến tất cả người dùng trong vùng phủ của 1 trạm cơ sở Các thuật toán xoay vòng Round Robin, thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất Best CQI và thuật toán cân bằng Proportional Fair là những thuật toán lập lịch sẽ được phân tích và

mô phỏng trong luận văn này Những thuật toán này được mô phỏng thông qua chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator [3] và dựa vào kết quả để so sánh sự ảnh hưởng đến thông lượng và sự cân bằng của hệ thống nhằm giúp người đọc hiểu được ưu nhược điểm của từng thuật toán lập lịch trong hệ thống mạng LTE

Dễ dàng nhâ ̣n thấy hiện nay, tần số và kênh truyền là những nguồn tài nguyên có hạn và đang dần khan hiếm , vì vâ ̣y việc lập lịch nhằm phân bố hợp lý nguồn tài nguyên này đến người dùng là vô cùng q uan tro ̣ng trong ma ̣ng vô tuyến, đặc biệt là mạng di động thế hệ mới LTE Chính vì vậy, em lựa cho ̣n luâ ̣n văn của mình sẽ trình

bày về vấn đề “ Đánh giá hiệu năng của một số thuật toán lập lịch trên đường downlink trong mạng LTE”

Khảo sát một số luận văn đã được thực hiện trong và ngoài nước [1][2][4][5], chúng ta sẽ có thể thấy đóng góp của luận văn này Thay thế cho việc các nghiên cứu trước đây chỉ mô phỏng và đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch trong mô hình truyền SISO, băng thông hạn chế, người dùng không di động,

luận văn này sẽ đề cập đến việc sử dụng mô hình truyền đa anten MIMO, mở rộng băng thông, tính toán đến cả sự di chuyển của người dùng và đặc biệt sử dụng môi trường truyền sóng vô tuyến đặc trưng cho mạng LTE qua việc mô phỏng bằng chương trình LTE System Level Simulator

Luận văn của em gồm có 3 chương Chương 1 trình bày tổng quan về thế hệ mạng di động LTE Chương 2 sẽ đưa ra định nghĩa và cách làm việc của bộ lập lịch cùng giải thuật của một số thuật toán lập lịch trong mạng LTE Chương 3 đưa ra các kịch bản cho chương trình mô phỏng và so sánh các kết quả từ đó đánh giá hiệu năng của hệ thống khi sử dụng các thuật toán lập lịch trên Cuối cùng sẽ có phần rút

ra kết luận và đưa ra những đề xuất trong tương lai cho luận văn đồng thời liệt kê những nguồn và tài liệu tham khảo khi thực hiện luận văn

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE

Trong vòng một vài năm gần đây, chúng ta thấy rằng công nghê ̣ di động sử dụng băng thông rộng ngày càng trở nên cần thiết khi mà người dùng di đô ̣ng ngày càng trở nên quen thuộc với việc truy nhập băng thông rộng bất cứ nơi nào họ đến, không chỉ là ở nhà hoặc nơi làm việc Để đáp ứng nhu cầu đó, 3GPP đã chuẩn hóa

mô ̣t công nghê ̣ di đô ̣ng thế hê ̣ mới có tên go ̣i LTE với mu ̣c tiêu kế thừa và thay thế cho ma ̣ng 2G và 3G hiê ̣n nay LTE được hy vo ̣ng sẽ cung cấp mô ̣t chất lượng di ̣ch vu ̣ tốt hơn so với các ma ̣ng từ trước đến nay Mục đích khi 3GPP chuẩn hóa mạng LTE đó là cung cấp mô ̣t nền tảng cho sự phát triển công nghê ̣ truy nhâ ̣p vô tuyến hướng đến tốc độ truyền nhận dữ liệu mức cao , giảm trễ, tăng hiê ̣u suất phổ tần , sử du ̣ng băng thông linh hoa ̣t, tối ưu hóa hiê ̣u suất hê ̣ thống khi người dùng di chuyển,…

LTE được xem như một giải pháp để sử dụng tốt hơn các ứng dịch và dịch vụ tiêu tốn rất nhiều băng thông trên thiết bị di động của người dùng hiện nay Sau đây chúng ta sẽ điểm qua một số đặc trưng trong hệ thống LTE bao gồm các thông

số hiệu suất của hệ thống, phương thức đa truy nhập OFDMA trên đường downlink cũng như mô hình truyền đa anten MIMO được sử dụng cho mạng di đô ̣ng LTE

1.1 Một số đặc trƣng của mạng LTE

1.1.1 Tốc độ dữ liệu đỉnh

LTE hỗ trợ việc tốc độ dữ liệu đỉnh tăng đáng kể một cách nhanh chóng Tốc

độ đỉnh được hỗ trợ sẽ tỷ lệ vào độ rộng băng tần Chú ý rằng tốc độ này cũng có thể phụ thuộc vào số lượng anten truyền và nhận tại UE Với cấu hình cơ bản như sau:

- Downlink: 2 antenna thu trên UE

- Uplink: 1 antenna phát trên UE

Mạng LTE có thể hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời là 100Mb/s trên băng thông 20Mhz (5bps/Hz) cho đường downlink và 50 Mb/s trên băng thông 20Mhz (2.5bps/Hz) cho đường uplink

1.1.2 Độ trễ

Trễ đường truyền kênh người dùng phải ít hơn 5 ms một chiều và thời gian chuyển tiếp kênh điều khiển phải ít hơn 50ms từ trạng thái ngủ sang trạng thái hoạt động và ít hơn 100ms từ trạng thái chờ sang trạng thái hoạt động Đối với mạng LTE, độ trễ thời gian thực của tín hiệu thấp hơn nhiều so với mạng 2G, 3G Điều này cực kỳ quan trọng bởi vì hầu hết các ứng dụng có liên quan đến hình ảnh và thoại đều dựa trên việc truyền dữ liệu dạng gói giữa mạng di động và thiết bị di động đầu cuối với nhau Ví dụ khi gọi quốc tế từ điện thoại di động (có thể thông qua Skype hay thẻ gọi quốc tế - dạng Voice IP), nếu thời gian trễ của tín hiệu nhỏ thì ta nghe đầu bên kia nói sớm và ngược lại, hoặc như với dịch vụ Streaming Video thì thời gian hiển thị hình ảnh cũng nhanh hơn

1.1.3 Thông lượng người dùng

Thông lượng người dùng cũng như hiệu suất phổ tần trong mạng LTE cao hơn so với các thế hệ mạng di động trước đấy Cụ thể,thông lượng trên đường downlink cao gấp 3 - 4 lần so với tiêu chuẩn của HSDPA Còn trên đường uplink, thông lượng trung bình cũng cao gấp 2 đến 3 lần so với Realease 6 EUL Chú ý rằng giá trị này cũng tỷ lệ với độ rộng băng thông phổ tần

1.1.4 Khả năng di động

Mạng LTE được tối ưu hóa đối với người dùng di chuyển tốc độ thấp từ 0 đến 15 km/h Tuy nhiên kết nối vẫn có thể được duy trì đối với UE di chuyển tốc độ cao lên tới 350 km/h thậm chí là 500km/h

1.1.5 Sự linh hoạt của băng thông và phổ tần số

LTE có thể hoạt động ở một số dải tần như 1,25Mhz; 1,6Mhz; 2,5MHz; 5 Mhz; 10Mhz; 15Mhz; 20Mhz trên cả đường downlink lẫn uplink Việc tăng tính linh hoạt phổ tần như vậy sẽ giúp cho việc triển khai trở nên dễ dàng hơn rất nhiều

Ví dụ như đối với WCDMA yêu cầu độ rộng băng thông cố đi ̣nh là 5Mhz, dẫn tới một số vấn đề về việc đưa vào áp dụng tại một số quốc gia nếu như băng thông này

đã được sử dụng bởi các mạng 2G GSM hoặc CDMA One Đương nhiên băng thông càng rộng thì tốc độ dữ liệu đỉnh càng cao LTE hỗ trợ cả mô hình truyền

song công phân chia theo tần số FDD và truyền song công phân chia theo khe thời gian TDD Thêm vào đó, kết nối có thể diễn ra ở cả dải tần số đơn và kép FDD sử dụng dải tần kép bởi vì truyền dẫn 2 đường uplink và downlink phải sử dụng 2 tần

số khác nhau giữa 2 phía nếu không tín hiệu thu và phát sẽ nhiễu lẫn nhau trong khi đó TDD có thể sử dụng dải tần đơn bởi vì đường uplink và downlink có thể chia sẻ chung dải tần số

1.1.6 Vùng bao phủ

Vùng bao phủ của cell phụ thuộc nhiều vào yếu tố địa lý và dải tần sử dụng, có thể hỗ trợ kích thước tế bào thay đổi từ bán kính hàng chục mét (femtocell và picocell) lên tới các macrocell bán kính hàng chục km Tại các khu ngoại thành và dùng dải tần số thấp, phạm vi cell tối ưu thường là 5km, tuy nhiên có thể hỗ trợ lên tới 30km thậm chí 100km thì hiệu suất hoạt động của hệ thống vẫn có thể chấp nhận được Trong khu vực thành thị, dải tần số cao và mật độ user dày đặc, vùng bao phủ

của cell có thể chỉ là 1km hoặc thấp hơn

1.2 Tổng quan về đường downlink LTE

Sự truyền dẫn diễn ra từ trạm gốc đến thiết bị người dùng gọi là đường downlink và ngược lại được gọi là đường uplink Trong mạng LTE, trạm gốc BS được gọi là eNodeB và trạm người dùng MS được gọi là UE OFDMA được chọn làm phương thức đa truy nhập trên đường downlink cho mạng LTE Truyền nhận trên đường uplink sử dụng giao thức SC FDMA Tuy nhiên trong phạm vi luận văn này chúng ta chỉ đề cập đến đường downlink trong mạng LTE

1.2.1 Phương thức đa truy nhập OFDMA

OFDMA là một phương thức truy nhập dựa trên kỹ thuật điều chế đa sóng mang ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đã được sử dụng rộng rãi trong mạng không dây nhưng khá mới mẻ đối với thông tin di động Kỹ thuật OFDM chia chuỗi bit tín hiệu truyền đi thành các luồng nhỏ và đồng thời truyền qua nhiều kênh sóng mang con song song khác nhau Đối với LTE, những sóng mang con OFDM thông thường chiếm một khoảng 15 kHz và được điều chế bằng những bộ điều chế khác nhau như QPSK, 16QAM, 64QAM Ưu điểm của việc sử

dụng phương thức truy nhập OFDMA trên đường downlink LTE đó chính là khả năng cấp phát dung lượng trên cả miền thời gian(symbols) và không gian(subcarriers), cho phép nhiều người dùng có thể được lập lịch trong cùng 1 khoảng thời gian

Hình 1.1.OFDM và OFDMA

1.2.2 Kiến trúc khung gói tin

Phần này sẽ làm rõ việc dữ liệu trong mạng LTE được tổ chức như thế nào Trên cả đường downlink lẫn uplink, dữ liệu được tổ chức theo da ̣ng lưới Trong miền thời gian, dữ liệu được nhóm thành các frame có độ dài 10 milliseconds (ms)

1 frame lại được chia thành 10 subframe có độ dài 1ms, 1 subframe lại tiếp tục được chia thành 2 timeslots (0.5ms) Miền tần số thì được chia thành các subcarrier chiếm 15kHz Cấu trúc của khung dữ liệu trong mạng LTE được minh họa như hình 1.2

Đơn vị dữ liệu nhỏ nhất trong mạng LTE đó là 1 symbol (time) x 1 subcarrier (frequency) và được định nghĩa là 1 đơn vị tài nguyên Resource Element (RE) Một số

RE tập trung thành 1 khối tài nguyên Resource Block (RB) có độ lớn là 1 timeslot x 12 subcarriers Số ký hiệu OFDM được điều chế trên 1 sóng mang con phụ thuộc vào tiền

tố lặp được sử dụng Nếu sử dụng tiền tố lặp normal, 1 sóng mang con chứa được 7 ký hiệu OFDM trong khi đó nếu chèn tiền tố lặp extended vào các ký hiệu OFDM, 1 sóng mang con mang được 6 ký hiệu (xem hình 1.2)

Hình 1.2.Cấu trúc frame LTE [6]

Do sự linh hoạt phổ tần nên có tới 2 loại frame được định nghĩa trong LTE, với loại 1 được sử dụng trong truyền song công phân chia theo tần số FDD trong khi đó loại 2 được sử dụng trong truyền song công phân chia theo thời gian TDD Frame loại 1 chứa 20 timeslots với độ dài 1 slot là 0.5ms như đã nhắc tới ở phần trước Trong khi đó, frame loại 2 chứa 2 nửa frame, ít nhất 1 trong 2 sẽ chứa 3 trường của thông tin chuyển mạch bao gồm Downlink Pilot Time Slot (DwPTS), Guard Period (GP) và Uplink Pilot Time Slot (UpPTS) Nếu như thời gian chuyển mạch là 10ms, những thông tin này chỉ diễn ra trên 1 subframe duy nhất Nếu thời gian chuyển mạch là 5ms, thông tin chuyển mạch diễn ra trên cả 2 nửa frames, đầu tiên trên subframe 1 sau đó lặp lại trên subframe 6 Subframe 0 và 5 và DwPTS luôn luôn được dành cho đường downlink còn UpPTS và subframe liền ngay sau được dành cho đường uplink Các subframe khác có thể tùy thuộc được dành cho uplink và downlink Frame loại 2 được mô tả giống như trong hình 1.3

Hình 1.3.Frame loại 2

Số lượng tài nguyên vô tuyến RBs sẽ thay đổi tỷ lệ với độ rộng của băng thông Theo logic, khi băng thông hê ̣ thống tăng, tài nguyên vô tuyến tức số lượng RBs cũng tăng (xem bảng 1.1)

Bảng 1.1 Tỷ lệ băng thông và RBs

Chú ý rằng ở đây, độ rộng sóng mang con subcarrier giữ như nhau trong tất

cả các cấu hình là 15kHz Kết quả tốt nhất liên quan đến thông lượng có thể thu

được bởi băng thông có số lượng RBs là lớn nhất

1.2.3 Kênh vật lý downlink LTE

Cũng giống như trong các mạng khác trong UMTS, tất cả các tín hiệu lớp cao và lưu lượng dữ liệu người dùng đều được truyền thông qua các kênh thích hợp Trong mạng LTE, các kênh đường xuống được định nghĩa như trên hình 1.4

Hình 1.4.Kênh đường xuống LTE

Chúng ta sẽ đi vào chi tiết vai trò và mô tả của các kênh lớp vật lý trên đường downlink được sử dụng trong LTE

Kênh quảng bá PBCH

Đây là kênh vật lý mang thông tin quảng bá về hệ thống và các thông số điều khiển truy nhập đến các UE yêu cầu truy cập mạng, sử dụng điều chế Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) Hoạt động của kênh này thì độc lập với băng thông thực tế của mạng

Kênh chia sẻ PDSCH

Kênh PDSCH được sử dụng để vận chuyển dữ liệu người dùng và thiết kế cho tốc độ dữ liệu mức cao Các RBs kết hợp với kênh này được chia sẻ giữa các users thông qua kỹ thuật OFDMA Có rất nhiều lựa chọn để điều chế kênh này bao gồm QPSK, 16 QAM và 64 QAM Ghép kênh không gian được thực hiện riêng bởi kênh PDSCH

Kênh hoa tiêu dạng điều khiển PCFICH

Kênh hoa tiêu dạng điều khiển được sử dụng để thông báo đến UE có bao nhiêu ký hiệu OFDM dùng để điều khiển trong kênh PDCCH trong 1 subframe Số lượng symbols được dùng trong phạm vi từ 1 đến 3 PCFICH sử dụng điều chế QPSK

Kênh điều khiển đường xuống PDCCH

PDCCH chính là kênh thông báo đến UE về việc phân bố lập lịch tài nguyên trên cả uplink và downlink Kênh này được dùng tối đa 3 ký hiệu OFDM đầu tiên trong slot đầu tiên của 1 subframe và điều chế bằng QPSK Giá trị trong PCFICH sẽ chỉ ra số lượng ký hiệu được dùng trong PDCCH

Kênh truyền multicast PMCH

Kênh này được sử dụng khi hệ thống muốn gửi thông tin đến một nhóm người dùng cùng một lúc theo dạng multicast Nó sử dụng điều chế QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM

Kênh hoa tiêu yêu cầu tự đô ̣ng truyền la ̣i PHICH

PHICH chứa bản tin ACKs hoặc Not ACK (NACKs) trên đường downlink nếu trên đường uplink thông báo lên từ UE có yêu cầu truyền lại hoặc xác nhận bị

lỗi khi truyền dữ liệu Viê ̣c truyền nhâ ̣n trên kênh PHICH được thực hiện bằng kỹ thuật H-ARQ

Tín hiệu tham chiếu Downlink Reference Signals

Để thực hiện việc ước lượng kênh, một số ký hiệu tham chiếu (hay tín hiệu tham chiếu) được nhúng vào trong blocks tài nguyên vật lý Physical resource block PRB như trong hình 1.6 Các ký hiệu tham chiếu được chèn vào ký hiệu OFDM 1 và 5 trong mỗi slot trong trường hợp sử dụng tiền tố lặp ngắn short CP hoặc ký hiệu OFDM 1 và 4 trong trường hợp sử dụng tiền tố lặp dài long CP Như vậy sẽ có 4 ký hiệu tham chiếu trong 1 PRB (xem hình 1.5)

Hình 1.5.Ký hiệu tham chiếu downlink LTE sử dụng tiền tố lặp normal

Chú ý rằng 1 block tài nguyên vật lý Physical Resource Block (PRB) là thành phần nhỏ nhất được cấp phát bởi 1 trạm cơ sở eNodeB cho UE

Quá trình truyền trên đường downlink LTE

Bắt đầu quá trình xử lý của kênh vận chuyển, 1 mã sửa lỗi CRC được tính toán và gắn vào từng block dữ liệu TB nhằm mục đích bên nhận có thể nhận ra lỗi trong dữ liệu truyền tới Sau khi chèn mã sửa lỗi CRC, khối dữ liệu gồm TB + CRC được mã hóa nhanh với tốc độ mã hóa là 1/3 Nhiệm vụ của kỹ thuật Hybrid

Automatic Retransmission Request (H-ARQ) đó là quan tâm đến việc tryền lại nếu

xảy ra lỗi ở bên nhận Việc truyền lại phải thay thế bằng những bit thông tin giống

hệt như bản tin ban đầu nhưng các bits mã hóa được sử dụng có thể khác so với bản tin gốc Sau đó thông tin truyền đi được điều chế sử dụng 1 trong các bộ điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM (hình 1.6) Ngoài ra ta cũng nên chú ý đến một thông số thể hiê ̣n hiê ̣u suất của hê ̣ thống đó là tỷ số lỗi khối BLER BLER được đi ̣nh nghĩa là tỷ số của số block truyền lỗi chia c ho tổng số block TB truyền đi 1 block xem là bi ̣ lỗi nghĩa là 1 TB mà mã sửa lỗi CRC bi ̣ sai

Hình 1.6.Qúa trình truyền trên đường downlink LTE

Khối ánh xạ anten ánh xạ các khối vận chuyển TB đến các antenna khác nhau LTE sử dụng tối đa đến 4 anten truyền LTE hỗ trợ nhiều sơ đồ truyền nhận anten gồm truyền đa dạng transmission diversity, truyền dạng chùm beamforming và truyền theo kiểu ghép kênh không gian spatial multiplexing Những mô hình

truyền nhận đa anten này sẽ được trình bày chi tiết hơn tại phần sau Mục đích của việc ánh xạ khối tài nguyên là ánh xạ dữ liệu truyền trên từng anten với blocks tài nguyên được phân bố bởi bộ lập lịch (xem hình 1.7)

Hình 1.7 Tổ chức tài nguyên vô tuyến trên đường downlink

1.3 Mô hình kênh truyền đa anten MIMO

Việc sử dụng công nghệ đa anten trên đường downlink LTE, cụ thể là công nghệ MIMO đã tạo ra được những cải thiện đáng kể về hiệu suất của hệ thống Cấu hình anten cơ bản cho MIMO đó là 2 anten phát tại trạm gốc và 2 anten thu tại trạm người dùng Sơ đồ cho downlink MIMO ở cấp cao hơn và đa dạng antenna (4TX và

2 or 4 RX antennas) cũng được hỗ trợ Mục đích của MIMO đó là thu được độ lợi

về phân tập không gian và ghép kênh không gian

Hình 1.8.Mô hình truyền đa anten MIMO

Ghép kênh không gian cho phép tăng dung lượng bằng việc truyền các luồng

dữ liệu khác nhau song song từ các antenna khác nhau Phân tập không gian có thể được dùng để tăng độ tin cậy của hệ thống trong điều kiện kênh fading bằng việc truyền nhiều bản sao của tín hiệu truyền từ nhiều anten khác nhau Vì vậy, MIMO có thể tăng được dung lượng và tăng khả năng truyền tin cậy của cell Những mô hình MIMO cơ bản được chấp nhận cho đường downlink được minh họa như hình dưới Những mô hình này được chấp nhận dựa trên địa hình thực tế (vùng ngoại ô và đô thị) và nhu cầu dung lượng thực tế của người dùng

Hình 1.9.Các mô hình MIMO trên đường downlink LTE

Chương 2

THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG MẠNG LTE

Chương này ngoài việc giải thích định nghĩa của bộ lập lịch sẽ đưa ra chi tiết những thuật toán lập lịch cho đường downlink sử dụng trong mạng LTE Nói

chung, lập lịch về cơ bản là quá trình đưa ra quyết định bởi 1 bộ lập lịch liên quan đến việc phân bố những nguồn tài nguyên (thời gian, tần số) giữa các người dùng trong vùng phủ của 1 eNodeB và trong từng khoảng thời gian xác định Trong mạng LTE, việc lập lịch được thực hiện bởi eNodeB bằng một bộ lập lịch động Lập lịch gói tin là 1 trong những chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến trong ma ̣ng LTE Hiệu suất của hệ thống và trải nghiệm của cá nhân người dùng cuối sẽ phụ thuộc vào điều kiện lan truyền, các kết quả đo phản hồi từ thiết bị di động và thuật toán lập lịch của eNodeB Và cũng giống như trong HSPA, hay WiMax, thuật toán lập lịch chưa được xác định theo 1 tiêu chuẩn cụ thể nào mà nó dựa vào từng nhà cung cấp eNodeB áp dụng khác nhau

Như đã nhắc tới ở phần trước, LTE định nghĩa độ dài 1 subframe = 1ms là khoảng thời gian truyền dẫn TTI Có nghĩa là sau từng 1ms việc phân bố tài nguyên có thể thay đổi dựa trên nhiều yếu tố bao gồm chỉ số chất lượng kênh CQI, yêu cầu

về QoS, trạng thái buffer, nhiễu,… Dựa vào những yếu tố này, nếu chất lượng kênh truyền càng tốt thì sẽ có thể truyền tốc độ càng cao, tuy nhiên để quyết định người

sử dụng nào được ưu tiên truyền dựa trên nhiều tiêu chí cụ thể như:

 Ưu tiên người dùng có kênh truyền tốt nhất : đây chính là lý do chính cho lập lịch để làm tăng tốc độ

 Tuy nhiên sẽ có người có kênh truyền kém hơn, vẫn cần phải duy trì một tốc độ nhất định, không để dừng truyền hoàn toàn gây đứt kết nối

 Ngay cả với một người dùng đứng yên, cách eNodeB một khoảng cố định thì do hiện tượng fading (thăng giáng tín hiệu 1 cách ngẫu nhiêu), bộ lập lịch cũng

ưu tiên truyền khi tín hiệu "thăng" và giảm khi tín hiệu "giáng", lợi dụng hiện tượng fading (vốn được coi là luôn xấu) làm tăng tốc độ truyền

 Lịch trình tùy theo yêu cầu tốc độ của người dùng (và cả vấn đề gói cước):

dù kênh truyền tốt nhưng người dùng không dùng gì thì cũng chỉ duy trì kết nối thôi, không cần phải ưu tiên

 Một vấn đề nữa là tùy theo khả năng của thiết bị thu và thiết bị phát.Tốc

độ đường truyền không cần vượt quá khả năng thu phát của thiết bị

Đáp ứng kênh truyền LA

Ngoài ra chúng ta còn phải chú ý đến một yếu tố nữa đó chính là quá trình lựa chọn các tham số truyền dẫn và mô hình điều chế và mã hóa, hay còn được gọi là quá trình đáp ứng kênh truyền LA Việc đáp ứng kênh truyền sẽ thay đổi dựa trên những điều kiện kênh truyền tức thời Trong điều kiện kênh truyền thuận lợi, tốc độ

dữ liệu tăng và ngược lại Để điều chỉnh tốc độ này, LA sử dụng một bộ điều chế và

mã hóa thích nghi AMC để tìm ra cách điều chế và mã hóa kênh truyền sao cho phù hợp nhất Khi kênh truyền tốt, eNodeB sẽ truyền xuống với tỉ lệ mã hóa cao hơn và điều chế bậc cao còn khi kênh truyền xấu (điện thoại ở xa eNode B, thời tiết xấu, có che chắn hay di chuyển tốc độ cao ) thì sẽ mã hóa tỉ lệ thấp đi (khả năng sửa lỗi tăng lên) và điều chế thấp đi (tỉ lệ lỗi ít đi) Quá trình đáp ứng kênh truyền được thể hiện như trong hình 2.1

Hình 2.1.Đáp ứng kênh truyền LA

Về nguyên tắc, trạm cơ sở định kỳ nhận được thông tin từ trạm gốc thông qua chỉ số chỉ thị chất lượng kênh truyền CQI Chỉ số CQI thể hiê ̣n điều kiện kênh truyền được phản hồi lại bởi UE về trạng thái kênh, thông báo đến eNodeB về

những thông số như đáp ứng kênh truyền mà UE có thể hỗ trợ, loại bộ thu UE, số lượng antennas và nhiễu trong một khoảng thời gian xác định CQI càng cao thì kênh truyền được cho là càng tốt Vì vậy dựa vào giá trị CQI nhận được từ trạm gốc có thể thực hiện được việc đáp ứng kênh truyền Trạm gốc thông báo giá trị CQI đo được đến trạm gốc bằng cách ánh xạ những giá trị SNR đo được theo như hình 2.2 Trong bộ mô phỏng LTE, việc ánh xạ giá trị SNR và CQI được xấp xỉ thông qua 1 hàm tuyến tính có dạng như hình 2.2

Hình 2.2.Ánh xạ giữa giá trị SNR và CQI

Bảng 2.1 đưa ra 15 giá trị thể hiện chất lượng kênh truyền CQI tương ứng với từng loại điều chế và từng tốc độ mã hóa

Bảng 2.1.Chỉ số CQI

Đáp ứng kênh truyền cùng với việc lập lịch tài nguyên sẽ tối đa hóa dung lượng của cell Hiện nay, tần số và kênh truyền là những nguồn tài nguyên có hạn và đang dần khan hiếm, vì vậy tầm ảnh hưởng và sự quan trọng của việc lập lịch là rất lớn trong mạng LTE Việc phân bố lượng tài nguyên vô tuyến hợp lý đến người dùng sẽ đem lại hiệu suất của hệ thống lớn Khi mà 3GPP còn chưa tiêu chuẩn hóa bất kỳ 1 thuật toán lập lịch nào, chúng ta có thể tự do lựa chọn và thực hiện bất kỳ thuật toán thỏa mãn chất lượng dịch vụ QoS của chúng ta Khi lựa chọn và thiết kế

1 thuật toán lập lịch, có rất nhiều yếu tố như mức độ QoS mong muốn, lượng tài nguyên dữ liệu và trạng thái kênh truyền luôn luôn phải được ghi nhớ Vấn đề trở nên phức tạp với sự xuất hiện của người dùng với những yêu cầu khác nhau liên quan đến băng thông, sai số cho phép của trễ và độ tin cậy

Hình 2.3.Những chức năng lớp 2 cho việc lập lịch gói tin động,

đáp ứng kênh truyền và quản lý HARQ

Hiện nay có rất nhiều những phương pháp lập lịch được phát triển để nâng cao hiệu suất của hệ thống Tuy nhiên trong phạm vi luận văn này, em xin được tập