NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẬP LỊCH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE. CÁC KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG MẠNG 4G LTE. KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG LTE. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, TỪ ĐÓ NÊU CÁC ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA TỪNG THUẬT TOÁN LẬP LỊCH. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực và kết quả của luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

Trang TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH 6

MỞ ĐẦU 2

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE 5

CÁC KỸ THUẬT LẬP LỊCH 28

KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG LTE 40

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 55

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 82

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3GPP Third Generation Partnership Project Dự án hợp tác thế hệ thứ ba

4G Fourth Generation Mobile Communication Network Mạng thôn

AMC tin

di động thế

hệ thứ tư

Adaptive Modulation and Coding Mã hóa và điều chế đáp ứng

ARQ Automatic Repeat Request Giao thức tự động truyền lại

CRC Cyclic Redundancy Check Kỹ thuật kiểm tra phát hiện lỗi bít CRC CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền CQI Channel Quality Information Thông tin chất lượng kênh truyền DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc

EPS Evolved Packet System Hệ thống chuyển mạch gói phát triển

FFT Fast Four

er Transform Phép biến đổi Fourier nhanh FDD Frequency Division Duplex Ghép phân tần số

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân tần số

GSM Global System for Mobile Communication Thông tin di động thế hệ thứ hai HARQ Hybrid Automatic

epeat Request Giao thức tự động truyền lại ghép lai HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy cập gói tốc độ cao đường xuống HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao

HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy cập gói tốc độ cao đường lên HSPA+ An Evolution of HSPA Truy cập gói tốc độ cao cải tiến

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh ngược

IS Inter-Symbol Interference Xuyên nhiễu giữa các symbol

MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy cập

Max TP Max Throughput Kỹ thuât tối đa hóa thông lượng MCS Modulation and Coding Scheme Kỹ thuật mã hóa và điều chế

MIMO Multiple Input Multiple Output Kỹ thuật anten đa thu đa phát

PF Proportional Fair Thuật toán công bằng tương xứng PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia tần số trực giao PDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ dữ liệu gói

DANH MỤC CÁC BẢNG

4.2 Thông lượng và BLER của 5 UE dùng Round

Robin

66

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.3 Kiến trúc phân lớp của giao diện vô tuyến LTE phần

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ thông tin di động băng rộng hiện nay đã trở thành thuật ngữ quen thuộc đối với mọi người tại Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung Sau khi mạn

g 3G được triển khai, việc sử dụng internet băng rộng, dịch vụ nghe nhìn trực tuyến qua thiết bị di động đem lại nhiều tiện ích, sự tiện lợi cho người dùng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống

Công nghệ LTE ra đời là sự cải tiến đối với chuẩn thông tin di động WCDMA/HSPA, vốn được nâng cấp từ chuẩn thông tin di động GSM truyền thống, đưa mạng di động trở thành mạng hội tụ IP hoàn toàn, nâng khả năng truy cập dữ liệu với tốc độ lên đến hàng trăm Mb/s, hứa hẹn đem lại cho người dùng một mạng băng rộng thực sự mọi lúc mọi nơi

Công nghệ LTE, được phát triển trên nền tảng IP hoàn toàn, phục vụ cho các dịch vụ VOIP, video, streaming, internet băng rộng Khi đó lớp truy nhập của LTE

có nhiệm vụ đảm bảo và kiểm soát chất lượng dich vụ QOS, nhằm phân bổ tài nguyên hợp lý và tối ưu cho người dùng, với khả năng truy cập dịch vụ với độ trễ thấp nhất, băng thông rộng nhất có thể Bộ lập lịch được sử dụng trong lớp MAC trong giao diện vô tuyến là thành phần quan trọng thực hiện chức năng này, trong

đó kỹ thuật lập lịch là thành phần cốt lõi của nó

Kỹ thuật lập lịch đã được phát triển nhiều trong mạng Internet như FIFO, Round Robin, Maxmin, Best CQI, Max Throughput, PF… Khi ứng dụng vào mạng

di động băng rộng sẽ có nhiều điểm khác biệt, như ảnh hưởng của các thông số SNR, phân bố Anten, phân bố eNodeB, khoảng cách UE đến NodeB Vì thế, luận văn chọn hướng nghiên cứu về các kỹ thuật lập lịch trong hệ thống thông tin di động LTE trong lớp MAC trên giao diện vô tuyến, nhằm so sánh, đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật lập lịch đối với chất lượng của hệ thống, từ đó đề xuất kỹ thuật lập lịch thích hợp cho hệ thống

Từ những vấn đề nêu trên cùng với tầm nhìn tổng quan về các hướng nghiên

cứu mới hiện nay, tôi chọn đề tài: ”NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẬP LỊCH

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG LTE”

2 Mục đích nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan hệ thống thông tin di động LTE và các kỹ thuật lập lịch, luận văn tiến hành xây dựng các mô hình, kịch bản mô phỏng, thực hiện mô phỏng nhằm so sánh và đánh giá một số kỹ thuật lập lịch, đề xuất kỹ thuật lập lịch phù hợp cho hệ thống thông tin di động LTE

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

- Tổng quan hệ thống thông tin di động LTE.

- Giao diện vô tuyến LTE

UE, tỉ lệ lỗi BLER

4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập và phân tích các tài liệu và thông tin có liên quan đến đề tài như kiến thức mạng thông tin di động LTE, giao diện vô tuyến LTE, các kỹ thuật lập lịch trong lớp MAC…

- Kết hợp lý thuyết đã nghiên cứu, tiến hành lập mô hình, kịch bản nhằm mô phỏng và tính toán các thông số chất lượng ứng với các kỹ thuật lập lịch Trong nội dung luận văn, các kết quả đạt được từ chương trình tính toán và mô phỏng bao gồm thông lượng và BLER sử dụng chương trình Matlab sẽ được sử dụng.

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Các mạng di động hiện nay tại Việt Nam đa số sử dụng công nghệ 2G GSM, hiện đã nâng cấp lên công nghệ 3G UMTS/WCDMA Công nghệ LTE là bước tiếp theo để các mạng di động tiến lên 4G, nhằm tạo nên hệ thống thông tin di động băng rộng mọi lúc mọi nơi Vì thế, hướng nghiên cứu này nhằm trang bị kiến thức

về công nghệ di động LTE và kỹ thuật lập lịch, góp phần chọn giải pháp tối ưu cho giao diện vô tuyến, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ cho người sử dụng

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và hướng phát triển, Tài liệu tham khảo, Phụ lục, luận văn bao gồm các chương sau:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTENội dung trình bày tổng quan hệ thống thông tin di động LTE, giao diện vô tuyến, phân lớp trong eNodeB và các kỹ thuật trong giao diện vô tuyến LTE

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT LẬP LỊCH

Nội dung chương trình bày và so sánh các kỹ thuật lập lịch phổ biến, qua đó tìm hiểu về tính năng, ưu nhược điểm của các thuật toán lập lịch

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT LẬP LỊCH TRONG LTE

Nội dung chương trình bày hai phần chính là bộ lập lịch lớp MAC trong giao diện vô tuyến LTE và các kỹ thuật lập lịch sẽ áp dụng mô phỏng trong luận văn

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Nội dung chương trình bày mô hình mô phỏng, kịch bản mô phỏng, kết quả

mô phỏng và so sánh đánh giá các kỹ thuật lập lịch theo các thuật toán khác nhau

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE

1.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ giới thiệu về công nghệ LTE, công nghệ đa truy nhập OFDMA, phân biệt các phân lớp trong eNodeB cũng như trình bày về các kỹ thuật quan trọng trong các phân lớp giao diện vô tuyến LTE

1.2 Giới thiệu về công nghệ LTE [1],[2],[3]

3GPP là tổ chức chuẩn hóa được thành lập bởi Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc, Mỹ và Hàn Quốc, được sáng lập năm 1998 nhằm phát triển công nghệ di động thế hệ thứ 3, WCDMA dựa vào FDD và TD-CDMA dựa vào TDD Nhằm kết hợp các hệ thống di động trong tương lai, một kế hoạch phát triển, cải tiến công nghệ 3G được thực hiện từ năm 2004 Kết quả là sự ra đời của hệ thống thông tin di động LTE, với tốc độ lên đến hàng trăm Mbit/s cho đường xuống và hàng trăm Mbit/s cho đường lên với băng thông sử dụng 20 Mhz LTE có một hệ thống có kiến trúc mềm dẻo với mạng lõi cải tiến rất nhiều so với mạng 3G gọi là SAE, với giao diện vô tuyến sử dụng công nghệ OFDMA có đáp ứng băng thông lớn và linh hoạt, băng thông hoạt động từ 1,25 Mhz đến 20 Mhz cho cả FDD và TDD, kết hợp công nghệ MIMO đem lại thông lượng lớn gấp hàng chục lần chuẩn 3G Độ trễ gói

và quá trình chuyển trạng thái (rỗi sang hoạt động) được cải thiện đáng kể so với 3G

Cấu trúc vật lý được lựa chọn cho đường xuống trong hệ thống LTE là hệ thống OFDMA, đem lại hiệu quả băng thông cao và tương thích với MIMO Khoảng cách các sóng mang con subcarrier là 15 KHz Độ dài của symbol là 66.7μs Khi đó một CP dài 4,7μs có thể được sử dụng trong trường hợp cần thiết,

CP dài tùy thuộc vào độ che phủ của cell Trong hệ thống OFDMA, cả miền tần số

và thời gian đều được phân chia thành các slot Mỗi slot, trong miền thời gian chiếm 0,5ms, chứa 7 symbol và trong miền tần số chiếm 12 sóng mang con subcarrier Khi

đó, tập hợp 12 sóng mang con subcarrier liên tiếp được gọi là subband Hai slot liên

tiếp trong miền thời gian gọi là sub-frame, có độ dài 1ms, gọi là TTI Sub-frame là đơn vị tài nguyên cấp phát tài nguyên nhỏ nhất, gọi là khối tài nguyên Đường xuống có kênh điều khiển là PDCCH và kênh dữ liệu là PDSCH Kênh điều khiển nằm trong thành phần tài nguyên đầu tiên của mỗi sub frame Kênh PDCCH được

sử dụng cho báo hiệu cả đường lên, đường xuống và mang thông tin giao thức HARQ Kênh PDSCH mang dữ liệu người dùng, được hệ thống cấp trong một vài khối tài nguyên Ngoài ra, còn có thông tin tham chiếu truyền ở slot cố định để giúp

UE ước lượng chất lượng kênh truyền và đồng bộ

1.3 Kiến trúc phân lớp của giao diện vô tuyến

Mạng truy nhập LTE rất đơn giản và giảm thiểu chỉ còn trạm gốc là eNodeB

và phần giao diện vô tuyến LTE phủ sóng cho người dùng (UE) truy cập vào mạng

Hình 1.1 Kiến trúc phân lớp LTE

Kiến trúc giao diện vô tuyến LTE được chia thành hai phần là phần điều khiển và phần người dùng Phần điều khiển đảm nhận việc thiết lập kết nối, báo hiệu giữa UE và eNodeB Phần người dùng có nhiệm vụ truyền nhận và xử lý dữ liệu truy nhập giữa UE và eNodeB

Phần điều khiển bao gồm có các lớp chính: lớp vật lý, lớp MAC, lớp RLC, lớp RRC [4]

Hình 1.2 Kiến trúc phân lớp giao diện vô tuyến LTE phần điều khiển

Hình 1.3 Kiến trúc phân lớp của giao diện vô tuyến LTE phần người dùng

Phần người dùng bao gồm các lớp chính: lớp vật lý, lớp MAC, lớp RLC, lớp PDCP Lớp vật lý có nhiệm vụ mã hóa, điều chế, điều khiển phần anten phát thu Lớp MAC có chức năng truyền lại HARQ và ghép kênh Lớp RLC co nhiệm vụ thiết lập liên kết giữa UE và eNodeB và phân gói IP ra kích thước định dạng gói phù hợp cho việc đóng gói truyền đi ở lớp MAC Lớp PDCP có chức năng nén mào đầu và mã hóa, giao tiếp với lớp người dùng phía trên Trong lớp MAC có một phần

tử quan trọng là bộ lập lịch lớp MAC, có nhiệm vụ cấp phát tài nguyên vô tuyến cho UE, nhiệm vụ này rất quan trọng vừa phảiđảm bảo việc phân phát tài nguyên cho UE sao cho hợp lý, tối ưu cho các UE và dịch vụ cần sử dụng, vừa phải sử dụng tài nguyên hiệu quả, vì thế bộ lập lịch MAC có quan hệ với nhiều chức năng khác trong các lớp như mã hóa, điều chế, chức năng điều khiển truyền lại kiểm soát lỗi, điều khiển việc truyền tín hiệu qua anten Trong nội dung luận văn này ta sẽ tập trung vào bộ lập lịch lớp MAC nhưng cũng sẽ tìm hiểu các chức năng liên quan để tạo sự phối hợp hoạt động giữa bộ lập lịch lớp MAC và các phần tử chức năng khác Phần tiếp theo ta sẽ nghiên cứu các lớp và chức năng cụ thể

Lớp vật lý có chức năng chính là mã hóa/giải mã, điều chế/giải điều chế, ánh

xạ đa anten (MIMO)…trước khi truyền ra giao diện vô tuyến Tóm lại, chức năng lớp vật lý như sau:

Chức năng lớp vật lý sử dụng kênh vận chuyển: Phát hiện lỗi kênh vận

chuyển và thông báo cho lớp trên; mã hóa/ giải mã FEC cho kênh vận chuyển; khớp tốc độ kênh vận chuyển đã mã hóa với kênh vật lý và sắp xếp kênh vận chuyển đã

mã hóa vào kênh vật lý

Chức năng lớp vật lý sử dụng kênh vật lý: Bù công suất kênh vật lý, điều

chế và giải điều chế kênh vật lý

Chức năng khác của lớp vật lý: HARQ kết hợp mềm; bù công suất kênh

vật lý; đồng bộ thời gian và tần số; đo đạc thông số vô tuyến và thông báo cho lớp trên; xử lý anten MIMO; phân tập phát; xử lý RF và dạng sóng

1.3.2 Lớp MAC [1],[3],[4]

MAC là lớp thứ hai, có nhiệm vụ chính là điều khiển kênh vận chuyển Từ lớp trên, MAC nhận được kênh logic tương ứng một-một với kênh vô tuyến Mỗi kênh logic có một độ ưu tiên và MAC ghép các kênh logic vào kênh vận chuyển để truyền xuống lớp vật lý Ngoài ra, chức năng của MAC còn là xử lý xung đột, nhận dạng UE, chức năng điều khiển truyền lại HARQ Tuy nhiên, phần quan trọng nhất

của MAC là quản lý ưu tiên, lập lịch, có nhiệm vụ cấp phát tài nguyên vật lý cho kênh vật lý của người dùng được xử lý bởi lớp 1 và lớp 2 MAC và báo hiệu lớp 1 thường trễ trong khoảng 10 ms, trong khi báo hiệu RRC thường mất khoảng 100 ms

và hơn nữa để hoàn thành

Hình 1.4 Chức năng của lớp MAC

1.3.3 Lớp RLC

RLC có chức năng nâng cao kênh vô tuyến bằng cách sử dụng HARQ, khi

đó khung dữ liệu được đánh số thứ tự và nhận báo cáo trạng thái từ UE để kích hoạt việc truyền lại Quản lý việc truyền lại là chức năng của HARQ trong MAC Chức năng thứ hai của RLC là phân đoạn và tái tạo dữ liệu của lớp trên thành các chuỗi

dữ liệu phù hợp với kênh truyền dẫn theo kích thước khối vận chuyển nhất định, theo sự điều khiển của bộ lập lịch Cụ thể là nhận SDU từ lớp PDCP và chuyển thành RLC PDU

Hình 1.5 Phân lớp kênh truyền

1.3.4 Lớp PDCP

EnodeB nhận dữ liệu từ mạng lõi ở dạng gói IP Để giảm số bit truyền trên giao diện vô tuyến, eNodeB sử dụng giao thức PDCP để nén mào đầu IP theo chuẩn ROHC(Obust Header Compression; RFC 3095) và mã hóa dữ liệu truyền đi Tại đầu thu, PDCP thực hiện giải nén và giải mã để có dữ liệu ban đầu

1.3.5 Lớp RRC

RRC có chức năng quản lý tín hiệu điều khiển truy nhập cho EUTRAN bao gồm quản lý bảo mật và QOS RRC có chức năng thiết lập, quản lý và giải phóng kết nối RRC và quản lý di động, cung cấp thông điệp cần thiết cho quản lý kênh, điều khiển đo lường và báo cáo…

Giao thức NAS chạy giữa thiết bị người dùng và MME, do đó truyền xuyên qua EUTRAN Giao thức này nằm trên RRC, cung cấp thông điệp kênh truyền cần thiết cho truyền NAS

1.4 Hệ thống kênh truyền trong LTE

Giao diện vô tuyến LTE bao gồm các kênh vật lý và kênh báo hiệu vật lý Kênh vật lý mang dữ liệu từ lớp trên bao gồm tín hiệu điều khiển, lập lịch, dữ liệu người dùng, báo hiệu, được dùng cho đồng bộ hệ thống, nhận dạng cell, đánh giá chất lượng kênh truyền

Các kênh vật lý đường xuống như kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH), Kênh quảng bá vật lý (PBCH), Kênh multicast vật lý (PMCH), kênh chỉ

số định dạng điều khiển vật lý (PCFICH), kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH), kênh chỉ số HARQ vật lý (PHICH)

Kênh vật lý đường lên bao gồm: Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH), Kênh điều khiển đường lên vật lý (PUCCH), Kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH)

Liên quan đến tín hiệu vật lý, có hai loại tín hiệu: tín hiệu tham chiếu và tín hiệu đồng bộ Lớp vật lý cung cấp kênh vận chuyển đến lớp MAC và kênh vận chuyển có đặc điểm là làm thế nào thông tin truyền qua giao diện vô tuyến MAC

cung cấp những kênh logic khác qua RLC của lớp 2 và một kênh logic có đặc điểm

là kiểu thông tin truyền đi

Hình 1.6 Kênh truyền đường xuống

1.4.1 Hệ thống kênh đường xuống

1.4.1.1 Kênh vật lý đường xuống

Kênh PCFICH là kênh có nhiệm vụ mang thông tin định dạng kênh điều khiển, chỉ định từ NodeB xuống UE có bao nhiêu symbol OFDMA dùng cho PDCCH, được điều chế QPSK, truyền trên cùng port anten với PBCH

Kênh PDSCH là kênh chính trong các kênh đường xuống, mang kênh SCH và PCH, được điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM Kênh PDSCH truyền trên port anten 0 hoặc 0,1 hoặc 0,1,2 nếu thông tin tham chiếu cho UE không truyền đi, truyền trên port 5 nếu thông tin tham chiếu cho UE được truyền đi

Kênh PDCCH: Thông báo UE về cấp phát tài nguyên của kênh PCH và SCH, các thông tin HARQ liên quan đến DL-SCH, mang thông tin lập lịch đường lên Kênh PDCCH được điều chế QPSK, truyền trên cùng port anten với PBCH

DL-Kênh PHICH:Mang thông tin ACK/NACK của HARQ hồi âm đối với đường lên, được điều chế QPSK, truyền trên cùng port anten với PBCH

Kênh PBCH: mang thông tin quảng bá từ kênh logic BCCH, dùng định dạng đơn giản và cố định Khối vận chuyển đã mã hóa BCH được sắp xếp vào 4 sub-frame trong khoảng 40 ms Mỗi sub-frame có khả năng tự giải mã, ví dụ BCH có thể được giải mã Kênh PBCH được điều chế QPSK

Kênh PMCH: mang kênh MCH, được điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

1.4.1.2 Kênh vận chuyển đường xuống

Kênh MCH: là kênh quảng bá đường xuống, mang kênh MCCH và MTCH.Kênh DL-SCH: là kênh truyền tải dữ liệu đường xuống, mang kênh logic BCCH, CCCH, DCCH, MCCH, MCTH, MCCH

Kênh BCH: là kênh quảng bá đường xuống, mang kênh BCCH

Kênh PCH: là kênh tìm gọi (Paging) từ mạng xuống UE, mang kênh logic PCCH

1.4.1.3 Kênh logic đường xuống

Kênh CCCH: là kênh truyền thông tin điều khiển giữa UE và mạng Kênh được dùng cho UE không có kết nối RRC với mạng

Kênh DCCH:là kênh hai chiều điểm đến điểm truyền thông tin điều khiển thuộc về UE giữa UE và mạng Kênh được dùng cho UE có kết nối RRC đến mạng

Kênh DTCH:là kênh điểm đến điểm, thuộc một UE, truyền tải thông tin người dùng Kênh DTCH có thể trên cả trên đường lên và đường xuống

Hình 1.7 Kênh truyền đường lên

1.4.2 Hệ thống kênh đường lên

1.4.2.1 Kênh vật lý đường lên

Kênh PRACH: kênh mang thông tin chiếm truy cập ngẫu nhiên, kênh truy cập ngẫu nhiên khởi tạo từ chuỗi

Kênh PUSCH: kênh mang kênh UL-SCH, được điều chế QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Kênh PUCCH: kênh mang thông tin ACK/NACK của HARQ để hồi âm cho đường truyền đường xuống Kênh PUCCH mang yêu cầu lập lịch, mang thông tin báo cáo CQI Kênh được điều chế BPSK và QPSK

1.4.2.2 Kênh vận chuyển đường lên

RACH: kênh mang thông tin truy cập mạng của UE Việc truyền kênh có thể mất do xung đột

Kênh UL-SCH: kênh truyền dữ liệu cho đường lên Kênh hỗ trợ định dạng sóng, đáp ứng liên kết động bằng cách điều chỉnh công suất phát, mã hóa và điều chế, hỗ trợ cấp phát tài nguyên động và bán cố định

1.5 Lớp vật lý [3],[13],[14]

1.5.1 Công nghệ OFDMA trong LTE

Để khắc phụ nhược điểm của điều chế đa sóng mang, người ta sử dụng phương pháp điều chế OFDM, thường gọi là phương pháp điều chế phân chia tần số trực giao Điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM đặt tần số sóng mang tiếp theo một cách đơn giản và chính xác tại điểm không thứ nhất của tần số sóng mang trước Với các này chúng ta không cần bộ lọc định dạng xung Các sóng mang OFDM sử dụng độ dài symbol giống nhau, không cần băng thông bảo vệ Khi đó,

sẽ không có ACI tại các tần số trung tâm của các subcarrier, nên các subcarrier gọi

là trực giao

Hình 1.8 Phổ đa sóng mang

Khi đó, tín hiệu OFDM được tạo từ nhiều subcarrier Khoảng cách giữa các tần số các subcarrier chính xác là fs, là biến đổi ngược của độ dài symbol (Ts) Ts lớn hơn nghĩa là subcarrier sẽ gần nhau hơn và nhiều subcarrier hơn trong băng thông cho trước Một symbol OFDM là kết hợp của n symbol subcarrier song song đồng thời.

Hình 1.9 Tín hiệu OFDM trên miền thời gian và tần số

Về công nghệ OFDM được phân chia thành các loại:

- Plain OFDM: được xây dựng không dùng cho đa truy nhập, thích hợp cho

hệ thống quảng bá như DVB-T/H chỉ truyền thông tin quảng bá và đa quảng bá và không cần đường kênh hồi tiếp đường lên

- Time Division Multiple Access via OFDM: Đây là mô hình đơn giản nhất dùng cho đa truy nhập băng cách kết hợp OFDM và phân thời gian Nhược điểm của phương pháp này là mọi người dùng được cấp phát cùng một dung lượng và rất khó để triển khai các dịch vụ đòi hỏi sự linh hoạt về tốc độ bit (tốc độ thấp hoặc cao)

- Orthogonal Frequency Division Multiple Access OFDMA: thương hiệu đăng kí bởi Runcom Ltd Ý tưởng cơ bản là cấp phát khối tài nguyên cho người dùng dựa vào tốc độ bit dịch vụ người dùng yêu cầu Với phương pháp này, dễ dàng

xử lý các yêu cầu dịch vụ đa người dùng đa tốc độ Nhưng bài toán đặt ra là làm sao

sử dụng băng thông hiệu quả Giải pháp cho vấn đề này là cấp phát cho người dùng các khối tài nguyên gọi là resource block hay scheduling block Khối tài nguyên

này đơn giảm là nhóm các subcarrier Một người dùng có thể sử dụng một hay nhiều khối tài nguyên.

Trong hệ thống LTE, giao diện vô tuyến đường xuống dựa vào công nghệ OFDMA LTE sử dụng sóng mang gọi là subcarrier có độ rộng 15 kHz Khi đó độ dài symbol (Ts) là 66.67 μs EUTRAN sử dụng OFDMA với 2048 subcarrier Không phải tất cả 2048 subcarrier đều được sử dụng, các subcarrier phải để tự do như là băng tần bảo vệ từ các hệ thống vô tuyến khác Một cell EUTRAN sử dụng ít nhất 72 subcarrier và nhiều nhất là 1320 subcarrier Khi đó băng thông tương ứng là 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15MHZ và 20 MHz Việc sử dụng băng thông bao nhiêu, bao nhiêu subcarrier của một cell là do nhà mạng lựa chọn Băng thông

có khả năng mở rộng từ 1.4 đến 20 MHz bằng cách sử dụng số lượng subcarrier khác nhau Vùng băng thông lớn dùng cho dịch vụ tốc độ cao

Hình 1.10 Subcarrier và băng thông

1.5.2 Khung vô tuyến LTE/EUTRAN

Khung vô tuyến cơ bản của EUTRAN dài 10 ms Khi đó khung vô tuyến EUTRAN tương ứng 20 slot vì mỗi slot dài 0.5 ms Hai slot liên tiếp tạo thành một subframe Một subframe (độ dài 1ms gọi là TTI) là đơn vị thời gian nhỏ nhất mà bộ lập lịch cấp phát cho kênh vật lý Cấu trúc symbol OFDMA bao gồm ba dạng subcarrier là subcarrier dữ liệu cho truyền dữ liệu, subcarrier pilot cho đánh giá và đồng bộ và subcarrier Null cho không truyền gì cả, dùng để bảo vệ băng tần và DC

Hình 1.11 Cấu trúc khung đường lên và đường xuống

Có hai mode OFDMA là FDD và TDD Trong trường hợp sử dụng FDD, sẽ

có một khoảng thời gian offset giữa đường lên và đường xuống Nếu sử dụng TDD, subframe 0 và subframe 5 phải là đường xuống, những subframe còn lại có thể linh hoạt là đường lên hay đường xuống

Hình 1.12 Cấu trúc khung TDD

EUTRAN cũng định nghĩa khung loại 2, được sử dụng chỉ cho TDD và tương thích với TD-SCDMA (low chip rate TDD mode) của WCDMA

Hình 1.13 Cấu trúc khung TDD

1.5.3 Khối tài nguyên RB trong OFDMA

Sự kết hợp các OFDM symbol thành các khối tài nguyên gọi là RB, đây là đơn vị tài nguyên nhỏ nhất được cấp phát cho người dùng UE Một RB tạo thành từ

12 subcarrier liên tiếp trong một subframe (2 khe liên tiếp tương ứng với 1ms) Do

đó, băng thông của một RB là 12 subcarrier * 15 kHz = 180 kHz Như vậy một RB chiếm 0,5 ms trong miền thời gian và 180 Khz trong miền tần số

Nhiệm vụ của bộ lập lịch trong lớp MAC LTE là phân bổ các RB cho các kênh vật lý thuộc các người dùng khác nhau hay cho nhiệm vụ chung của hệ thống như báo hiệu Ngoài ra còn được sử dụng cho tín hiệu đồng bộ hay tín hiệu tham chiếu Một cell có ít nhất 6 RB ứng với 72 subcarrier trong băng thông 1,4Mhz và nhiều nhất là 110 RB ứng với 1320 subcarrier trong băng thông 20 Mhz

Hình 1.14 Khối tài nguyên RB

Mỗi subcarrier có băng thông 15 Khz, chứa được 7 symbol hoặc 6 symbol,

có chèn thêm CP có độ dài như bảng ở dưới Khi đó mỗi RB có 12 subcarrier sẽ chứa 84 symbol trong 0,5 ms Vậy tốc độ symbol tối đa trong mỗi RB là 168000 symbol/s Giả sử chúng ta sử dụng điều chế QAM 64, khi đó thông lượng RB là 1,008 Mb/s Giả sử ta sử dụng FEC 5/6, thông lượng thực sự là 0,84 Mb/s Hệ thống LTE có băng thông lớn nhất là 20 Mhz ứng với 100 RB, khi đó thông lượng tối đa

là 84 Mb/s Kết hợp anten MIMO 2x2, thông lượng hệ thống tăng lên 2 lần thành

168 Mb/s, đây là thông lượng tối đa của hệ thống LTE sử dụng MIMO 2x2

Bảng 1.1 Thông số RB vật lý

Cấu hình symbol/slot subcarrier/RB Độ dài CP

1.5.4 Cấp phát tài nguyên vô tuyến

Một subframe chia thành vùng điều khiển cho tín hiệu điều khiển, vùng dữ liệu cho dữ liệu đầu cuối và tín hiệu điều khiển đường lên Tín hiệu tham chiếu có thể nằm ở vùng điều khiển hoặc vùng dữ liệu Kích thước vùng điều khiển được điều chỉnh tùy thuộc vào lượng tín hiệu điều khiển được sử dụng cho thông tin giữa eNodeB và đầu cuối UE Trong nội dung luận văn, ta chỉ phân biệt đến vùng tham chiếu và vùng dữ liệu Khi tính thông lượng là ta tính đến thông lượng vùng dữ liệu

1.5.4.1 Tín hiệu tham chiếu

Tín hiệu tham chiếu được chèn vào RB với mức công suất cố định làm cơ sở tham chiếu cho UE ước lượng trạng thái kênh đường xuống, nhằm điều chỉnh mức công suất thu phát hợp lý và tính toán thông số CQI báo cáo lên eNodeB Báo cáo

từ UE lên eNodeB được dùng bởi bộ lập lịch cho việc cấp phát tài nguyên và chỉ định phương pháp điều chế Tín hiệu tham chiếu nằm ở symbol thứ nhất và thứ năm nếu CP thường, ở symbol thứ nhất và thứ tư nếu CP dài Vậy có bốn tín hiệu tham chiếu trong một RB Tín hiệu tham chiếu có ba loại chính:

Tham chiếu nhận dạng cell (cell ID): Mỗi RB gồm bốn ký hiệu tham

chiếu, chia theo miến thời gian và tần số Ở miền thời gian, hai ký hiệu được chèn trong ký hiệu OFDM đầu tiên, hai ký hiệu được chèn trong ký hiệu OFDMA thứ ba cuối cùng Tong miền tần số, 12 subcarrier chia thành hai vùng, mỗi vùng chứa ký hiệu tham chiếu trong ký hiệu đầu tiên và thứ ba cuối cùng Trong trường hợp đa anten, vị trí tín hiệu tham chiếu xác định bởi nhận dạng port anten

Tham chiếu MBFSN: dùng cho đánh gia kênh Multicast/Broadcast cho

mạng đơn tần số (Single Frequency Network)

Tham chiếu xác định UE: được truyền trong vùng dữ liệu, kèm theo dữ liệu

cấp phát cho UE, mục đích đánh giá kênh đối với UE

Tín hiệu tham chiếu dùng cho định lượng kênh và tính toán đo đạc chất lượng kênh Tín hiệu tham chiếu được sắp xếp theo tần số và thời gian Mỗi port anten đều có một tín hiệu tham chiếu riêng Khi một anten port truyền tín hiệu tham chiếu thì các anten port khác sẽ không truyền gì cả.

Hình 1.15 Phân bố dữ liệu và tín hiệu tham chiếu 1.5.4.2 Tín hiệu đồng bộ

Tín hiệu đồng bộ làm giảm lượng thủ tục tìm cell của UE, có chức năng giúp

UE xác định cell, định thời đồng bộ khung Tín hiệu đồng bộ luôn được truyền trong vị trí xác định không quan tâm băng thông sử dụng, đó là trong 72 subcarrier đầu tiên, quanh vùng DC, tại symbol OFDMA 5 và 6 của slot đầu subframe 0 và 5

Có hai loại tín hiệu đồng bộ:

- Tín hiệu đồng bộ sơ cấp

- Tín hiệu đồng bộ thứ cấp

1.5.5 Điều chế trong LTE/EUTRAN

Mỗi symbol OFDM trong RB có thể được điều chế khác nhau, đây là tính chất rất hay và linh hoạt của OFDM Theo chuẩn EUTRAN thì có các tùy chọn điều chế sau: QPSK, 16QAM, 64QAM Tuy nhiên không phải tất cả các kênh vật lý đều

có thể sử dụng tất cả các phương pháp điều chế này Đối với báo hiệu thì chỉ được

sử dụng QPSK Việc quyết định phương pháp điều chế nào cho RB phụ thuộc vào thông tin hồi âm CQI từ UE về chất lượng đường truyền, chức năng này được thực hiện bởi bộ lập lịch

LTE ứng dụng AMC với tốc độ mã hóa biến thiên trong mỗi subcarrier kết hợp với giao thức truyền lại HARQ AMC là kỹ thuật cho phép duy trì BER thấp dưới giá trị mục tiêu đã định trước bằng cách tăng giảm mức điều chế tín hiệu truyền đến người dùng tùy thuộc vào chất lượng liên kết vô tuyến tức thì Ngoài ra, AMC còn có phương pháp mã hóa cũng được điều chỉnh (theo thời gian) kết hợp với trạng thái kênh tức thời của mỗi người dùng Do đó, khi cả phương pháp điều chế và mã hóa cùng thay đổi (điều chỉnh) bởi bộ phát để đáp ứng tín hiệu truyền đi với điều kiện kênh thay đổi, gọi là AMC.

1.5.6 CRC

Bộ phát hiện lỗi được hỗ trợ bới CRC 24 bit Khối vận chuyển TB từ lớp MAC đưa xuống được chèn CRC 24 bit vào Sau đó, khối được phân đoạn thành các đoạn các byte với kích thước thông tin tối đa là 6144 bit gọi là CB Trước khi

mã hóa turbo, CB được chèn CRC 24 bit tiếp

dữ liệu này được lấy từ bộ đệm với thứ tự bắt đầu từ vị trí phụ thuộc vào phiên bản

dư thừa hiện tại Phiên bản dư thừa tăng trong mỗi lần truyền, do đó dữ liệu khác nhau sẽ được gửi mỗi khi truyền lại

1.5.9 Bộ phát và bộ thu OFDM

Bộ điều chế phân chia tần số trực giao OFDM, bên cạnh giảm fading phẳng,

đó là làm cho thời gian symbol dài hơn Khi thời gian symbol dài hơn trễ đa đường, một CP có thể chèn vào tín hiệu CP phải dài hơn độ trễ để giảm ISI Một CP là bản sao của phần cuối symbol đặt vào phần đầu symbol

Phương pháp biến đổi Fourier nhanh FFT là phương pháp toán học để tính toán biến đổi Fourier rời rạc DFT và đây là nhân tố cơ bản trong OFDM Biến đổi

Fourier nhanh FFT và biến đổi Fourier nhanh ngược IFFT là các khối cơ bản trong

hệ thống OFDMA, trong đó, FFT ở phần thu và IFFT ở phần phát

1.5.10 Quá trình xử lý đường xuống

Hình 1.16 Quá trình xử lý đường xuống

Hình trên mô tả quá trình gói dữ liệu IP được truyền từ lớp ứng dụng qua các lớp PDCP, RLC, MAC và lớp vật lý để truyền đi qua anten và quá trình nhận và xử

lý để đưa gói IP đến ứng dụng ở đầu cuối trong phần người dùng

Hình 1.17 Kỹ thuật xử lý đường xuống

Hình trên trình bày quá trình xử lý khối vận chuyển nhận từ lớp MAC Bước đầu tiên CRC được tính toán và chèn vào khối vận chuyển TB để kiểm soát lỗi Sau

đó, dữ liệu khối vận chuyển mã hóa CRC (TB+CRC) được mã hóa turbo tỉ lệ 1/3 Sau đó HARQ sẽ đảm nhận việc điều khiển truyền lại Sau đó là bước điều chế theo phương pháp điều chế QPSK, 16QAM, 64QAM Khối ánh xạ anten sắp xếp TB vào anten khác nhau LTE sử dụng bốn anten phát, hỗ trợ phân tập phát, beamforming

và ghép anten Việc sắp xếp này thực hiện bởi bộ lập lịch

1.5.11 Dung lượng SISO

Theo công thức Shannon cho kênh AWGN:

Trong đó:

C là dung lượng kênh (b/s)

B là băng thông hệ thống (Hz)

S/N là tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu thu số

Khi đó dung lượng của kênh AWGN là:

Với F là hệ số sửa sai

Trong đó:

Nsc =12: số subcarrier trong một RB

Ns = 14 hoặc 12: số symbol trong một frameNrb: số RB trong băng thông chọn lựa (1,4 Mhz…20 Mhz)Tsub = 1ms: thời gian của một subframe

Khi đó, ta tính được dung lượng hệ thông LTE sử dụng SISO được trình bày như bảng dưới

Bảng 1.2 Dung lượng hệ thống LTE sử dụng SISO

sửa Một trong những phiên bản phổ biến nhất của ARQ là ARQ stop-and-wait Kỹ thuật stop-and-wait truyền bản tin đi, sau đó chờ bản tin ACK gửi về hoặc bản tin NACK Khi nhận bản tin NACK, nó sẽ truyền lại thông điệp cuối cùng đã gửi và khi nhận được ACK, nó sẽ truyền thông điệp kế tiếp

Để tăng hiệu suất của hệ thống, kỹ thuật stop-and-wait được cải tiến để một lúc có thể quản lý nhiều phiên ARQ Nghĩa là khi một gói tin được truyền đi và hệ thống đợi ACK/NACK, phiên tiếp theo có thể bắt đầu truyền và cứ thế Nếu thời gian truyền lớn hơn thời gian nhận ACK/NACK thì hệ thống sẽ đợi

FEC và ARQ được sử dụng đồng thời gọi là hệ thống HARQ (ARQ lai) Có hai loại HARQ: loại thường và loại kết hợp mềm Trong hệ thống HARQ thường,

từ mã nhận được trước hết được giải mã bởi FEC, nếu bị lỗi thì ARQ sẽ yêu cầu truyền lại mới từ mã đó và phiên mới sẽ bắt đầu, gọi là HARQ loại I Đối với kết hợp mềm, từ mã lỗi không bị bỏ đi mà lưu lại Việc truyền lại sau đó được kết hợp với lần truyền trước Việc này có thể được thực hiện bằng cách kết hợp năng lượng, được gọi là kết hợp chase, hay bằng cách gửi thông điệp khác chứa nhiều bit chẵn lẻ hơn, gọi là tăng độ dự phòng Cả hai phương pháp này gọi là HARQ dạng II HARQ dạng II cho hiệu năng tốt hơn về thông lượng, nhưng nó phức tạp hơn vì nó cần bộ nhớ nhiều hơn Thuật ngữ “lai” xuất phát từ thực tế là ARQ là lai kết hợp của ARQ và kỹ thuật kết hợp mềm Ý tưởng chính của HARQ là không lãng phí gói tin ngay cả khi nó bị lỗi Tất cả gói dữ liệu gửi tới người dùng đều được chèn CRC

để phát hiện lỗi Do đó một gói dữ liệu bị hỏng được nhận thì người dùng sẽ gửi NACK qua đường lên và yêu cầu gửi lại gói đó Sau đó, NodeB truyền lại gói đó đến người dùng Người dùng kết hợp mềm gói mới nhận và gói tin bị hỏng sử dụng

kỹ thuật kết hợp chase hay kỹ thuật tăng độ dự phòng Kết hợp chase được dùng khi gói truyền lại chắc chắn giống gói bị hỏng khi nhận trước đó Nó kết hợp hai gói dùng kết hợp tỉ lệ cao nhất Tăng độ dự phòng là kỹ thuật HARQ khác, trong đó thay vì gửi lại gói một cách đơn giản, thông tin dự phòng được truyền đi nếu giải

mã lỗi trong lần gửi đầu

1.6.2 Bộ lập lịch

Bộ lập lịch có nhiệm vụ đầu mối điều khiển việc cấp phát tài nguyên vô tuyến trong LTE bao gồm cấp phát RB, chỉ định phương pháp điều chế, mã hóa, điều khiển việc truyền khối tài nguyên RB qua các anten Vì thế, lập lịch lớp MAC điều khiển cả lớp MAC và lớp vật lý đồng thời Bộ lập lịch có thể chia thành hai loại là lập lịch đường xuống và lập lịch đường lên

Lập lịch đường xuống: eNodeB sẽ định kỳ nhận báo cáo thông tin trạng thái kênh truyền CSI [5][6], là hồi âm từ UE để báo cáo tình trạng kênh truyền đường

xuống Đối với lập lịch phụ thuộc kênh truyền, làm sao bộ lập lịch quyết định dữ

liệu của UE nào sẽ được truyền trước và truyền đi bao nhiêu, bộ lập lịch đường

xuống phải sử dụng thông tin về trạng thái kênh truyền, thông tin lịch sử của UE, trạng thái bộ đệm và độ ưu tiên Sau đó nó sẽ quyết định cấp phát khối tài nguyên

RB, phương pháp mã hóa, phương pháp điều chế, ánh xạ dữ liệu truyền qua các anten Kết quả là, quyết định của lập lịch đường xuống điều khiển phân gói lớp RLC, ghép kênh lớp MAC, HARQ, mã hóa lớp vật lý, điều chế lớp vật lý và ánh xạ anten

Lập lịch đường lên: giống như lập lịch đường xuống, lập lịch đường lên cũng cấp phát RB cho UE Tuy nhiên việc ghép kênh logic thực hiện bởi UE Trạng thái kênh truyền thì được eNodeB tính toán từ tín hiệu tham chiếu từ các UE mà eNodeB nhận được Khi đó, từ trạng thái kênh truyền đó, bộ lập lịch đường lên eNodeB sẽ điều khiển phương pháp mã hóa và điều chế đối với UE cho đường lên

Trong LTE, có hai phương pháp lập lịch đường xuống là FDD và TDD Lập lịch theo kiểu TDD nghĩa là chỉ lập lịch về mặt thời gian, còn lập lịch FDD nghĩa là vừa lập lịch theo thời gian và tần số Nội dung luận văn của ta sẽ nghiên cứu lập lịch đường xuống theo kiểu FDD

Thông tin UE gửi cho eNodeB về trạng thái kênh truyền của RB ở dạng giá trị gọi là CQI[5],[6] CQI được UE tính toán từ SINR của RB được cấp phát Dựa vào CQI, bộ lập lịch sẽ quyết định điều chế kiểu gì, mã hóa kiểu gì Giá trị CQI có thể đại diện cho một hay một nhóm RB mà UE được cấp phát, nếu UE được cấp

phát nhiều RB thì cũng chỉ cần một CQI, điều này giảm tải báo hiệu dành cho báo cáo từ UE về eNodeB Trong LTE, CQI có giá trị từ 1 đến 15

Bên cạnh CQI là tiêu chí lập lịch, thông tin lịch sử của UE như thông lượng,

bộ đệm của UE, độ ưu tiên là những yếu tố quan trọng Không chỉ dựa vào CQI để

ưu tiên cho UE có CQI cao, mà còn phải dựa vào độ ưu tiên của UE, độ ưu tiên dịch

vụ của UE Bên cạnh đó, còn phải đảm bảo sự công bằng cho các UE về thông lượng chẳng hạn

Tóm lại, nhiệm vụ của bộ lập lịch là quyết định UE nào được sử dụng RB, CQI nào của UE được dùng và gói tin nào của UE được gửi đi

1.7 Kết luận chương

Hệ thống thông tin di động LTE với giao diện vô tuyến dựa trên công nghệ OFDMA, bên cạnh giảm ảnh hưởng nhiễu và fading hiệu quả, đó là tăng thông lượng hệ thống và người sử dụng lên nhiều lần so với WCDMA/UMTS cũng như HSPA

Cấu hình phân lớp và cấu hình mạng của LTE cũng đơn giản hóa, bỏ đi node trung gian giữa eNodeB và mạng lõi SAE là RNC Khi đó, vai trò của eNodeB trong hệ thống truy nhập trở nên mạnh mẽ, thành node truy nhập IP thực sự, quyết định mọi vấn đề từ cấp phát tài nguyên, quản lý băng thông, điều khiển việc truyền lại kiểm soát lỗi

Việc áp dụng HARQ giúp cho việc truyền lại được thực hiện trên eNodeB đến UE, việc truyền dữ liệu trở nên nhanh hơn do hồi âm chỉ truyền từ UE đến eNodeB hoặc ngược lại

Cuối cùng, sự kết hợp bộ lập lịch làm cho chất lượng và hiệu quả kênh truyền tăng lên, kết quả là thông lượng hệ thống và UE lên hàng trăm Mbps, độ trễ gói và độ mất gói đều giảm đáng kể Như ta biết, việc truy cập dữ liệu cũng như internet qua mạng IP chủ yếu nặng tải ở đường xuống, đường lên tải ít hơn nhiều, vì thế nội dung luận văn chỉ tập trung lập lịch cho đường xuống

Tóm lại, nội dung chương này là cái nhìn tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE, là cơ sở tiến hành nghiên cứu và thực hiện mô phỏng các kỹ thuật lập lịch lớp MAC trong các chương tiếp theo.

CÁC KỸ THUẬT LẬP LỊCH

1.8 Giới thiệu chương

Nội dung chương này sẽ trình bày về các kỹ thuật lập lịch phổ biến hiện nay

và so sánh các kỹ thuật lập lịch này Qua đó hiểu rõ về tính năng, ưu điểm và nhược điểm của các thuật toán lập lịch, là cơ sở để đánh giá và lựa chọn thuật toán lập lịch

sẽ được mô phỏng trong chương tiếp theo, là bước kiểm nghiệm quan trọng các thuật toán lập lịch cho LTE

có thể chia làm hai loại:

Thuật toán lập lịch cho lưu lượng thời gian không thực: Kỹ thuật lập lịch

cho lưu lượng thời gian không thực dựa vào thuật toán cơ bản là PF Các thuật toán lập lịch phổ biến khác là Max Rate, Round Robin Hiệu suất của các thuật toán lập lịch cho dịch vụ thời gian không thực được đo đạc chủ yếu bằng thông lượng và độ công bằng

Thuật toán lập lịch cho lưu lượng thời gian thực: Lưu lượng thời gian

thực có yêu cầu độ trễ nghiêm ngặt hơn nhiều nhằm giảm sai lỗi Trong hệ thống không dây, lưu lượng thời gian thực được mô hình hóa bởi quá trình lưu lượng tới

là các gói tin độc lập đến bộ đệm, theo một mục tiêu trễ khác nhau Đối với mô hình mạng không dây khác nhau, có một số chính sách để thỏa mãn các mục tiêu độ trễ khác nhau Ví dụ, chính sách mà độ trễ giới hạn lớn nhất là đảm bảo độ dài hàng đợi

trong một số ràng buộc Các thuật toán lập lịch phổ biến nhất cho lưu lượng thời gian thực là Largest Delay First, Modified Largest Weighted Delay First, Delay Experience Độ mất gói và độ công bằng là những thông số hiệu suất chính đối với thuật toán lập lịch đối với lưu lượng thời gian thực.

Trong mạng thực tế, cả lưu lượng thời gian thực và không thực đều hiện diện, vì thế bộ lập lịch phải làm sao đáp ứng được cả hai loại lưu lượng này đồng thời Thuật toán phải tối đa hóa thông lượng để sử dụng hiệu quả kênh truyền và giữ

độ trễ nhỏ nhất có thể bằng cách nhận dạng các lưu lượng quan trọng đồng thời, nhưng phải đảm bảo tính công bằng Các thuật toán phổ biến nhất là Exponential Rule, Utility function Các thông số đánh giá hiệu suất chính là thông lượng, độ trễ

và độ công bằng

1.9.2 Các yêu cầu của bộ lập lịch

Để quyết định hàng đợi của UE nào được phục vụ và bao nhiêu dữ liệu được phép truyền, một kỹ thuật lập lịch rất đơn giản có thể được dùng là FIFO (First In First Out) Kỹ thuật này rất đơn giản nhưng lại không công bằng Một kỹ thuật lập lịch phức tạp hơn một chút là RR (Round Robin) Kỹ thuật này tạo sự công bằng giữa các thuê bao nhưng không thoả mãn các yêu cầu QoS như thông lượng, tỉ lệ lỗi hay độ trễ Trong phần này sẽ đề cập đến các nhân tố mà các bộ lập lịch phải quan tâm, hay là những yêu cầu của bộ lập lịch

- Các thông số QoS: Bộ lập lịch phải có thể đảm bảo các thông số QoS cho

các lớp dịch vụ khác nhau Các thông số chính là tốc độ lưu lượng tối thiểu, trễ cho phép tối đa và sự chịu đựng dao động trễ Ví dụ, bộ lập lịch cần phải lập lịch lại hoặc chèn các gói để đạt được các yêu cầu về trễ và thông lượng EDF (Earliest Deadline First) là một ví dụ của kỹ thuật được sử dụng để đảm bảo yêu cầu về trễ Tương tự như thế LWDF (Largest Weighted Delay First) được sử dụng để đảm bảo thông lượng tối thiểu

-Tối ưu thông lượng: Tài nguyên vô tuyến trong các mạng không dây là có

giới hạn, vì thế vấn đề là phải tìm cách tối đa tổng thông lượng của hệ thống Ở đây

có thể là tối đa số lượng UE được hỗ trợ hoặc đường truyền được tận dụng hoàn

toàn Một trong những cách tốt nhất để hình dung về thông lượng, đó là những dữ liệu thực tế được truyền đi không bao gồm các thông tin điều khiển và các gói bị mất Thông tin điều khiển bao gồm thông tin điều khiển lớp MAC, các thông tin điều khiển phân mảnh và đóng gói, thông tin điều khiển cụm (burst) Thông tin này dùng để tối ưu số lượng cụm trong một khung và chỉ ra cách đóng gói hoặc phân mảnh các SDU vào trong lớp MAC Các yêu cầu băng thông được biểu thị bằng một số lượng bytes nhất định Yêu cầu này không thể chuyển thành số lượng slot được, bởi vì một slot có thể chứa một số lượng bytes khác nhau, tuỳ thuộc vào kỹ thuật điều chế được sử dụng Ngoài ra, tỉ lệ mất gói cũng rất quan trọng Bộ lập lịch cần sử dụng các thông tin về trạng thái kênh truyền và tốc độ lỗi bit để quyết định phương thức điều chế và mã hoá cho từng thuê bao.

-Tính công bằng: Bên cạnh sự đảm bảo các thông số QoS, các tài nguyên

còn thừa phải được cấp phát một cách công bằng Thời gian để thực hiện sự công bằng cũng quan trọng, bởi vì có thể là công bằng trong thời hạn ngắn hoặc trong thời hạn dài Công bằng trong thời hạn ngắn dẫn đến công bằng trong thời hạn dài, nhưng điều ngược lại chưa chắc đúng

-Sự tiêu thụ năng lượng và điều khiển công suất: Bộ lập lịch cần phải

quan tâm đến công suất tối đa cho phép Dựa vào tốc độ lỗi bit BER và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SINR mà eNodeB có thể chấp nhận các dữ liệu được truyền, bộ lập lịch

có thể tính toán công suất thích hợp được sử dụng cho từng MS tuỳ theo vị trí của chúng Với những người sử dụng di động, công suất là rất giới hạn Vì thế, bộ lập lịch MS cũng cần phải tối ưu công suất truyền

-Sự phức tạp trong thực thi: Vì eNodeB phải xử lý rất nhiều kết nối đồng

thời và quyết định phải được tạo ra trong vòng khoảng thời gian 10 ms của khung LTE, các thuật toán lập lịch phải đơn giản, nhanh và sử dụng tối thiểu tài nguyên như là bộ nhớ

- Khả năng mở rộng của thuật toán: thuật toán phải hoạt động có hiệu quả

khi số lượng kết nối tăng lên, số eNodeB tăng lên, số UE tăng lên, băng thông tăng lên

1.9.3 Các kỹ thuật lập lịch cơ bản [10…18]

1.9.3.1 Round Robin [11]

Bên cạnh FIFO, Round Robin được xem như là kỹ thuật lập lịch đơn giản nhất Round Robin cấp phát một cách công bằng cho lần lượt từng kết nối một phân chia theo thời gian Bộ lập lịch Round Robin, cũng có thể được gọi là bộ lập lịch vòng tròn, phân chia công bằng các tài nguyên kênh cho tất cả các thành phần: các gói, các dữ liệu hay các cuộc gọi Khi đó mọi UE sẽ được nhận tài nguyên công bằng theo thời gian mà không quan tâm đến CQI Ưu điểm của Round Robin là đảm bảo tính công bằng cho UE, dễ thực hiện, thường dùng trong nhiều hệ thống, kể cả LTE Nhưng do Round Robin không quan tâm đến CQI, kết quả là thông lượng người dùng sẽ thấp

Kỹ thuật lập lịch Round Robin phù hợp nếu các thuê bao có cùng lưu lượng

và cùng các đặc điểm vô tuyến Thực tế thì dựa vào các đặc điểm vô tuyến, sẽ xác định phương pháp điều chế và mã hoá MCS được sử dụng Vì thế nếu tất cả các thuê bao có cùng MCS và có cùng lưu lượng, thì chúng cần lượng tài nguyên giống nhau và khi đó, bộ lập lịch Round Robin có thể phù hợp trong các điều kiện đó

Hình 2.1 Thuật toán lập lịch Round Robin.

Bắt đầu

Lập lịch UE đầu tiên

Lập lịch UE tiếp theo

Tất cả UE đã được lập

lịch UE đầu tiên

c

ó lịc

h U

E đầ

u tiên

Khi xem xét đến sự công bằng thì cũng cần phải quan tâm tới sự cấp phát là cho một số lượng gói một hay là cho một số lượng byte một Trong trường hợp sự cấp phát dựa trên các gói, thì các trạm với các gói lớn có một lợi thế không công bằng Ngoài ra, Round Robin có thể không hoạt động đảm bảo trong trường hợp khi

mà sự cấp phát vẫn được tạo ra cho các kết nối mà có thể không có gì cả để truyền

1.9.3.2 Kỹ thuật lập lịch Best CQI [11]

Kỹ thuật lập lịch Best CQI cấp phát tài nguyên cho người dùng có điều kiện kênh vô tuyến tốt nhất Trên đường xuống, UE nhận tín hiệu tham chiếu (tín hiệu tham chiếu đường xuống) trên các symbol cố định, từ đó UE tính toán CQI tương ứng và báo cáo gửi cho eNodeB Giá trị CQI cao nghĩa là điều kiện kênh truyền tốt, khi đó UE đó sẽ được chọn để cấp phát tài nguyên Kỹ thuật lập lịch này tăng dung lượng NodeB nhưng không đảm bảo tính công bằng cho các UE, những UE xa node

B không bao giờ được cấp phát tài nguyên

Hình 2.2 Thuật toán lập lịch Best CQI

U

E đầ

u tiên

Bắt đầu

Đo đạc CQI Kiểm tra CQI cao nhất

Lập lịch cho UE

UE có CQI cao nhất ?

kc

Hình 2.3 CQI và tài nguyên cấp phát cho UE 1.9.3.3 Kỹ thuật lập lịch Max Throughput [16],[17]

Max Throughput là kỹ thuật lập lịch phụ thuộc kênh truyền Max Throughput có ưu điểm đối với đa người dùng là thông lượng hệ thống cao Tuy nhiên đối với từng người dùng thì không công bằng cho lắm vì sẽ có UE không được phục vụ, gọi là các khách hàng không hài lòng Nguyên tắc của kỹ thuật lập lịch Max Throughput là lưu lượng càng ít ‘đắt đỏ’ sẽ được cấp toàn bộ dung lượng

hệ thống để sử dụng, không cấp tài nguyên cho lưu lượng đắt đỏ nhất Trong mạng không dây, UE đắt đỏ thường là các MS ở xa trạm gốc, cố gắng truy cập vào mạng Còn UE ít đắt đỏ là các UE gần trạm gốc, có chất lượng sóng tốt

Nguyên tắc hoạt động của Max Throughput cũng khá đơn giản Trước hết,

bộ lập lịch phân tích thông tin CSI do UE gửi về để lấy thông tin tốc độ dữ liệu của sub channel cụ thể của các UE khác nhau Sau đó bộ lập lịch cấp phát gán kênh này cho UE sao cho tổng thông lượng các UE là cao nhất

Kỹ thuật Max Throughput làm cho UE chết đói khi nó có thông lượng lớn nhất UE ở kênh xấu cũng không được công nhận bởi lập lịch, do đó đây không phải

là thuật toán công bằng Tuy nhiên đây là thuật toán có thể sử dụng để đo thông lượng tổng

1.9.3.4 Kỹ thuật lập lịch Max min [15]

Trong mạng thông tin liên lạc, kỹ thuật cấp phát tài nguyên được gọi là min khi: trước hết, UE có tốc độ truy nhập dữ liệu thấp nhất phải được cấp tài nguyên nhiều nhất, tối đa hóa tốc độ, sau đó UE có tốc đô truy cập dữ liệu thấp thứ hai được tối đa hóa tốc độ…Cách phân chia này dẫn đến kết quả là định dạng

max-(shaping) lưu lượng của mỗi UE Nghĩa là dù UE có lưu lượng cực lớn cần truyền nhưng không thể truyền qua ngưỡng cho phép, do càng chiếm băng thông cao, UE

đó càng có ưu tiên thấp xuống, điều này làm cho hệ thống không báo giờ bị quá tải, nghẽn mạng Và khi đó, thông lượng của UE cũng đồng đều và được đáp ứng công bằng bởi hệ thống Thuật toán lập lịch Max-Min ứng dụng trong ghép kênh cũng như cấp phát tài nguyên cho mạng best-effort Round Robin là trường hợp đặc biệt của Max-min khi kích thước gói dữ liệu là bằng nhau

1.9.3.5 Kỹ thuật lập lịch Proportional Fair (PF) [18]

Proportional Fair là thuật toán kết hợp Max Throughput và Round Robin hay Max Throughput và Max-min với mục tiêu là tối đa hóa tốc độ, nên các UE đều có phần trong việc cấp phát tài nguyên Các UE được xếp theo độ ưu tiên bởi hàm ưu tiên Thông lượng trung bình của mỗi UE được cập nhật sau khi mỗi khối tài nguyên RB được cấp phát Ban đầu, bộ lập lịch sẽ cấp phát tài nguyên RB đầu tiên cho UE ngẫu nhiên bất kỳ Sau đó bộ lập lịch sẽ cấp phát RB cho UE có độ ưu tiên cao nhất Nó sẽ lặp lại bước trên đến khi tài nguyên dùng hết hay tất cả tài nguyên cần cho các UE đã thỏa mãn Cuối cùng có K loại cấp phát RB, bởi vì K loại cấp phát RB đầu tiên

( )

( )m R

R i

k

m n k

,

maxarg