Chất lượng trải nghiệm cho dịch vụ video và thoại trên mạng 4g dựa vào các cơ chế điều khiển tài nguyên vô tuyến sử dụng ký thuật OFDMA

Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn chuyển tiếp L1, chẳng hạn sơ đồ trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tích cực bộ lặp khi

Hà Nội – 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn Văn Minh

CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM CHO DỊCH VỤ VIDEO VÀ THOẠI TRÊN MẠNG 4G DỰA VÀO CÁC CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN TÀI NGUYÊN VÔ

TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDMA

Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Tiến sĩ Trương Thu Hương

Hà Nội –2014

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

MỞ ĐẦU 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG I – GIỚI THIỆU CHUNG 10

1.1.Mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) 10

1.1.1 Giới thiệu 10

1.1.2 Định nghĩa mạng 4G 10

1.1.3 Động lực phát triển mạng 4G 11

1.1.4 Công nghệ LTE-Advanced trong mạng 4G 13

1.2.Công nghệ đa truy nhập trong LTE 21

1.2.1 Các kỹ thuật đa truy nhập cho OFDM 21

1.2.2 Phân tập đa người dùng và điều chế thích nghi 26

1.2.3 Các kỹ thuật cấp phát tài nguyên trong OFDMA 32

1.3.Lập biểu, cấp phát tài nguyên trong hệ thống OFDMA 39

1.3.1 Chỉ thị chất lượng kênh (CQI) 39

1.3.2 Các thuật toán lập biểu tài nguyên 40

1.3.3 Tối ưu hóa lập biểu tài nguyên đường xuống trong các hệ thống LTE 41 CHƯƠNG II – TẠI SAO LẠI CẦN QoE 48

2.1.Khái niệm QoS (Quality of Service) 48

2.2.QoE là gì? 48

2.3.Mối quan hệ giữa QoS và QoE 48

2.4.Các phương pháp đo đạc QoE 51

2.4.1 Đặt vấn đề 51

2.4.2 Các phương pháp đánh giá QoE cho mạng 4G 52

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

2.4.3 Các mô hình tham chiếu dùng để đo đạc QoE 53

CHƯƠNG III – NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM 56

3.1.Xây dựng mô hình thí nghiệm 56

3.1.1 Thiết lập sơ đồ khối hệ thống 56

3.1.2 Đo đạc các thông số cần thiết 57

3.1.3 Đánh giá chất lượng Video dùng phương pháp phân tích chủ quan 58

3.2.Kết quả thí nghiệm 60

3.2.1 Phân tích hiệu suất mạng LTE 60

3.2.2 Phân tích QoE của Video Streaming 67

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Lịch sử mạng di động 10

Hình 1.2: Dự án 3G của ITU 11

Hình 1.3: Kiến trúc LTE 15

Hình1.4 : Ví dụ về khối kết tập sóng mang 17

Hình 1.5 : Truyền dẫn đa điểm phối hợp 19

Hình 1.6: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced 21

Hình 1.7: FDMA 22

Hình 1.8: Kết hợp FDMA và TDMA 23

Hình 1.9: CDMA 24

Hình 1.10: Cấp phát sóng mang con trong OFDMA 25

Hình 1.11: OFDM với 256 sóng mang con và OFDMA với chỉ 64 trong số 256 sóng mang con được sử dụng 26

Hình 1.12: PDF của hmax 28

Hình 1.13: Cho K người dùng khác nhau, (a): dung lượng trung bình và (b) tỉ lệ bit lỗi của QPSK 29

Hình 1.14: Sơ đồ khối mã hóa và điều chế thích nghi 30

Hình 1.15: Thông lượng theo SINR 31

Hình 1.16: Cấu trúc miền thời gian tần số đường xuống LTE [9] 39

Hình 1.17: Mối quan hệ giữa , và , [9] 42

Hình 1.18: Lựa chọn MCS SB n có thể được lựa chọn nếu j*≤ , , và không được chọn nếu ngược lại 44

Hình 2.1: Đánh giá theo hệ thị giác chủ quan của người sử dụng 50

Hình 2.2: Mô hình tham chiếu đầy đủ 53

Hình 2.3: Mô hình tham chiếu rút gọn 54

Hình 2.4: Mô hình không tham chiếu 54

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 56

Hình 3.2: Sơ đồ thí nghiệm 58

Hình 3.3: Trễ 1 chiều tối thiểu cho gói tin UDP đường lên 60

Hình 3.4: Trễ 1 chiều tối đa cho gói tin UDP đường lên 61

Hình 3.5: Trễ 1 chiều trung bình cho gói tin UDP đường lên 61

Hình 3.6: Trễ gói liên tục nhỏ nhất cho gói tin UDP đường lên 62

Hình 3.7: Trễ gói liên tục lớn nhất cho gói tin UDP đường lên 62

Hình 3.8: Trễ gói liên tục trung bình cho gói tin UDP đường lên 63

Hình 3.9: Mất gói cho gói tin UDP đường lên 63

Hình 3.10: Trễ 1 chiều tối thiểu cho gói tin TCP đường lên 64

Hình 3.11: Trễ 1 chiều tối đa cho gói tin TCP đường lên 64

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 3.12: Trễ 1 chiều trung bình cho gói tin TCP đường lên 65

Hình 3.13: Trễ gói liên tục nhỏ nhất cho gói tin TCP đường lên 65

Hình 3.14: Trễ gói liên tục lớn nhất cho gói tin TCP đường lên 66

Hình 3.15: Trễ gói liên tục trung bình cho gói tin TCP đường lên 66

Hình 3.16: Mất gói cho gói tin TCP đường lên 67

Hình 3.17: Giá trị MOS cho các video TCP theo sự biến đổi trễ gói 68

Hình 3.18: Giá trị MOS cho các video UDP theo sự biến đổi trễ gói 68

Hình 3.19: Độ lệch chuẩn cho sự biến đổi độ trễ 69

Hình 3.20:Giá trị MOS cho các video TCP theo sự mất gói 70

Hình 3.21: Giá trị MOS cho các video UDP theo sự mất gói 70

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Ý nghĩa của các ký hiệu 33Bảng 2.1: Ánh xạ từ các tham số QoS sang QoE của dịch vụ truy nhập web sử dụng WAP/ xHTML trong mạng di động 52Bảng 3.1 : Giá trị MOS cho sự biến đổi trễ gói tin 68Bảng 3.2: Giá trị MOS cho sự mất gói 69

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

QoS Quality of Service

QoE Quality of Experience

LTE Long Term Evolution

4G 4 Generation

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiple

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

FDMA Frequency Division Multiple Access

TDMA Time Division Multiple Access

GSM Global System for Mobile

GPRS General Packet Radio Service

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

HSDPA High-Speed Downlink Packet Access

HSUPA High-Speed Uplink Packet Access

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN Wireless Local Area Network

KPI Key Performance Indicator

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

đó là LTE (Long Term Evolution) Các cuộc thử nghiệm và trình diễn đã chứng tỏ năng lực tuyệt vời của công nghệ LTE và khả năng thương mại hóa LTE

Trong vòng hai thập kỷ vừa qua, khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS: Quality of Service) đã được đưa vào nhận thức của đông đảo người sử dụng cũng như các nhà cung cấp và khai thác dịch vụ mạng QoS cũng chính là động lực thúc đẩy mạnh mẽ

sự đầu tư của các nhà khai thác dịch vụ viễn thông và sự tập trung cao độ của cộng đồng nghiên cứu lĩnh vực mạng, hướng tới các giải pháp có tính ổn định và hiệu quả cao nhằm đảm bảo chất lượng cho các dịch vụ qua mạng

Tuy nhiên, trong bối cảnh hiện nay, khi các dịch vụ viễn thông ngày càng trở nên phổ biến và thông dụng hơn, QoS không còn là yếu tố duy nhất mang tính quyết định trong cuộc cạnh tranh chiếm lĩnh thị trường giữa các nhà cung cấp dịch vụ Theo xu hướng chung, yếu tố dần trở nên quan trọng hơn để phân biệt mức độ và đánh giá các nhà cung cấp dịch vụ là những gói dịch vụ được thiết lập tốt đến mức nào theo nhu cầu cá nhân của người sử dụng, có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu cá nhân khách hàng đến đâu để thỏa mãn tối đa yêu cầu của họ Đây chính là tiền đề dẫn đến khái niệm chất lượng trải nghiệm QoE (Quality of Experience), một khái niệm được đưa vào bức tranh cung cấp dịch vụ trong ngành công nghệ viễn thông

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng phạm vi nghiên cứu

Mục đích: Đưa ra mối tương quan giữa chất lượng thoại và video qua mức độ

chênh lệch các thông số như delay, packet loss khi sử dụng các thuật toán lập lịch, cấp phát tài nguyên vô tuyến Qua đó đánh giá chất lượng trải nghiệm cho dịch vụ video và thoại cho mạng 4G

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Mạng 4G LTE được xây dựng trên môi

trường giả lập (Tìm hiểu một mô hình thí nghiệm đã có)

c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

- Nội dung chính:

Bài luận văn tập trung nghiên cứu lý thuyết về mạng 4G, LTE, OFDM, OFDMA, các thuật toán lập lịch, thuật toán quản lý và cấp phát tài nguyên vô tuyến, chất lượng trải nghiệm (Quality of Experience – QoE) Tìm hiểu một hệ thống thí nghiệm đã triển khai về đề tài đánh giá chất lượng trải nghiệm video qua mạng 4G LTE bằng phương pháp chủ quan từ người sử dụng

- Đóng góp mới:

Luận văn đã đưa ra được cách tiếp cận mới trong việc đánh giá chất lượng trải nghiệm của dịch vụ thoại và video trên nền mạng di động 4G LTE

d) Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chính thông qua tìm hiểu, so sánh, thống kê, đối chiếu, đưa ra các đánh giá về chất lượng trải nghiệm cho dịch vụ video và thoại cho mạng 4G

e) Kết luận

Trong một khoảng thời gian ngắn, việc nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu lý thuyết về mạng 4G dựa vào các cơ chế điều khiển tài nguyên vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDMA và phân tích một công trình nghiên cứu về chất lượng dịch

vụ trong mạng 4G LTE đã triển khai Hệ thống thí nghiệm này được triển khai dựa trên hiệu suất của việc truyền video trực tiếp qua mạng LTE

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của viễn thông Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả

về số lượng và chất lượng, các dịch vụđa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữliệu Mặc dù các hệ thống thông tin di động thế hệ 2.5G hay 3G vẫn đang phát triển không ngừng nhưng các nhà khai thác viễn thông lớn trên thế giới đã bắt đầu tiến hành triển khai thử nghiệm một chuẩn di động thế hệ mới có rất nhiều tiềm năng và có thể sẽ trở thành chuẩn di động 4G trong tương lai, đólà LTE (Long Term Evolution)

Các nhà cung cấp dịch vụ luôn luôn muốn người dùng có trải nghiệm tốt hơn trên thiết bị 4G LTE của họ Người sử dụng sẵn sang trả nhiều hơn cho mạng truy cập có chất lượng tốt, băng thông cao Để có thể đạt được những điều này, chất lượng dịch vụ (Quality of Service – QoS) đóng một vai trò rất quan trọng QoS định

rõ sự ưu tiên cho những khách hàng/dịch vụ nhất định trong khoảng thời gian mạng

bị tắc nghẽn cao Trong những năm qua, khái niệm QoS đã được đưa vào nhận thức của đông đảo người sử dụng cũng như các nhà cung cấp và khai thác dịch vụ mạng QoS cũng chính là động lực thúc đẩy mạnh mẽ sự đầu tư của các nhà khai thác dịch

vụ viễn thông và sự tập trung cao độ của cộng đồng nghiên cứu lĩnh vực mạng, hướng tới các giải pháp có tính ổn định và hiệu quả cao nhằm đảm bảo chất lượng cho các dịch vụ qua mạng

Tuy nhiên, trong bối cảnh hiện nay, khi các dịch vụ viễn thông ngày càng trở nên phổ biến và thông dụng hơn, QoS không còn là yếu tố duy nhất mang tính quyết định trong cuộc cạnh tranh chiếm lĩnh thị trường giữa các nhà cung cấp dịch vụ Theo xu hướng chung, yếu tố dần trở nên quan trọng hơn để phân biệt mức độ và đánh giá các nhà cung cấp dịch vụ là những gói dịch vụ được thiết lập tốt đến mức nào theo nhu cầu cá nhân của người sử dụng, có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu cá nhân khách hàng đến đâu để thỏa mãn tối đa yêu cầu của họ Đây chính là tiền đề dẫn đến khái niệm chất lượng trải nghiệm QoE (Quality of Experience), một khái

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

niệm được đưa vào bức tranh cung cấp dịch vụ trong ngành công nghệ viễn thông Một cách đơn giản nhất, chất lượng trải nghiệm QoE là nhận xét chủ quan của người sử dụng đánh giá về dịch vụ họ đang sử dụng

Từ những yêu cầu cấp thiết như vậy, nội dung luận văn được đưa ra để xem xét cũng như nghiên cứu về QoE cho dịch vụ Video và thoại trên mạng 4G

Nội dung luận văn gồm có 3 chương:

- Chương I: Chương này xét tổng quan về mạng 4G, công nghệ đa truy nhập trong mạng 4G, các thuật toán lập lịch, thuật toán cấp phát tài nguyên vô tuyến

- Chương II: Chương này nói về QoE, tại sao phải cần tới QoE và các phương thức đo đạc QoE

- Chương III: Chương này nghiên cứu về một thí nghiệm đã triển khai

về việc đo đạc QoE, đánh giá chất lượng video trên mạng 4G

Luận văn này được hoàn thành với sự hướng dẫn nhiệt tình của Tiến sĩ Trương Thu Hương Tuy nhiên luận văn chắn chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong thầy cô, các anh chị và các bạn có những đánh giá, góp ý để luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin gửi cảm ơn chân thành tới:

 Cô giáo TS Trương Thu Hương

 Viện Điện Tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG I – GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Mạng di động thế hệ thứ 4 (4G)

1.1.1 Giới thiệu

Lịch sử của mạng di động đã trải qua nhiều thế hệ mạng khác nhau, từ những ngày đầu (mạng thế hệ thứ 1) còn sử dụng công nghệ analog, đến thế hệ thứ 2 đánh dấu bước ngoặt của mạng di động khi công nghệ số được đưa vào mạng di động Mạng thế hệ thứ 2 tập trung chủ yếu vào cung cấp dịch vụ thoại và dữ liệu tốc độ thấp Tuy nhiên, do nhu cầu dịch vụ dữ liệu ngày càng cao, mạng di động thế hệ thứ

3 ra đời nhằm khắc phục nhược điểm của mạng di động thế hệ thứ 2 để cung cấp nhiều dịch vụ hơn với tốc độ cao hơn [1] Nhưng nhu cầu và yêu cầu của người sử dụng ngày càng cao, mạng thế hệ thứ 3 cũng không thể đáp ứng tốt yêu cầu của người sử dụng, điều này đã hối thúc nhiều tổ chức trên thế giới phát triển một mạng thế hệ tiếp theo [2]

Hình 1.1: Lịch sử mạng di động Vào thời điểm hiện nay, các tổ chức nghiên cứu trong lĩnh vực viễn thông đang xem xét các giải pháp cho mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) Chương này sẽ bắt đầu với khái niệm chung về hệ thống 4G

1.1.2 Định nghĩa mạng 4G

Vẫn chưa có một thống nhất chung về định nghĩa của mạng 4G Những gì chúng ta mong muốn ở mạng thế hệ kế cận là tính liên tục của dịch vụ khi kết hợp các công nghệ hiện có như: GSM/GPRS, UMTS/HSDPA/HSUPA, WiMAX, WLAN, [9] để có thể tạo ra một mạng truy nhập vô tuyến rộng khắp có thể truy nhập ở bất kỳ nơi đâu và bất kỳ nơi nào Các thiết bị di động đa giao diện mạng có

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

thể chuyển kết nối qua lại giữa các điểm truy cập hiện có thuộc các công nghệ mạng khác nhau Do vậy mạng 4G được biết tới như là một mạng hỗn hợp

Dự án 3G của ITU đã mất 12 năm để hoàn thành, bắt đầu từ năm 1985 với tên ban đầu là hệ thống thông tin di động mặt đất tương lai (FPLMTS- Future Public Land Mobile Telephone System) Với IMT-Advanced, điều này sẽ không xảy ra khi

có lộ trình phát triển rõ ràng hơn nhiều

Hình 1.2: Dự án 3G của ITU Mục đích của ITU là muốn xác nhận các công nghệ ứng cử 4G vào cuối năm

2009 Việc này đưa 4G lùi sau 2 năm so với dự án LTE của 3GPP [3]

1.1.3 Động lực phát triển mạng 4G

Mạng di động trong tương lai không chỉ chứa một công nghệ truy nhập mà phải chứa nhiều công nghệ mạng truy nhập Chúng ta có thể nhận thấy sự cần thiết của một cơ chế cho phép chuyển giao giữa các hệ thống hỗn hợp các công nghệ mạng khác nhau Sự thúc đẩy nằm phía sau mạng hỗn hợp được đưa ra từ thực tế rằng không có một công nghệ mạng nào có thể cung cấp một vùng phủ rộng khắp Do

đó, một việc cần thiết được đưa ra là đầu cuối di động có thể truy nhập vào nhiều điểm đa truy nhập thuộc các công nghệ mạng khác nhau để có thể duy trì kết nối ở mọi thời điểm

Trong hơn một thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự thành công to lớn của mạng thông tin di động thế hệ thứ hai 2G Sự thành công của mạng 2G là do dịch

vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho người dùng, tiêu biểu là chất lượng thoại và khả năng di động Tiếp nối thế hệ thứ 2, mạng thông tin di động thế hệ thứ ba 3G đã và

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

đang được triển khai nhiều nơi trên thế giới Cải tiến nổi bật nhất của mạng 3G so với mạng 2G là khả năng cung ứng truyền thông gói tốc độ cao nhằm triển khai các dịch vụ truyền thông đa phương tiện Tuy nhiên, cũng có một số nhược điểm như: chưa đáp ứng được yêu cầu của khách hàng vì tốc độ truyền dữ liệu lớn nhất là 2Mbps, khả năng đáp ứng các dịch vụ thời gian thực như hội nghị truyền hình là chưa cao, rất khó trong việc tải các file dữ liệu lớn, chưa đáp ứng được các yêu cầu như: khả năng tích hợp với các mạng khác (Ví dụ: WLAN, WiMAX, ) chưa tốt, tính

mở của mạng chưa cao, khi đưa một dịch vụ mới vào mạng sẽ gặp khó khăn do tốc

độ mạng thấp, tài nguyên băng tần ít Trong bối cảnh đó người ta đã chuyển hướng sang nghiên cứu hệ thống thông tin di động mới có tên gọi là 4G [7] Sự ra đời của

hệ thống này mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dich vụ

âm thanh số Việc phát triển công nghệ giao thức đầu cuối dung lượng lớn, các dịch

vụ gói dữ liệu tốc độ cao, công nghệ dựa trên nền tảng phần mềm công cộng mang đến các chương trình ứng dụng download, công nghệ truy nhập vô tuyến đa mode,

và công nghệ mã hoá media chất lượng cao trên nền các mạng di động Tuy nhiên, đặc tính hàng đầu được kỳ vọng nhất của mạng 4G là cung cấp khả năng kết nối ABC (Always Best Connected - luôn được kết nối tốt nhất) Để thỏa mãn được điều

đó, mạng 4G sẽ là mạng hỗn hợp, bao gồm nhiều công nghệ mạng khác nhau, kết nối, tích hợp trên nền toàn IP Thiết bị di động của 4G sẽ là đa công nghệ (multi-technology), đa chức năng (multi-mode) để có thể kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác nhau [7]

Tóm lại, trong mạng hỗn hợp, một công nghệ có thể được triển khai làm thành phần mở rộng cho một công nghệ khác Khi một trạm gốc quá tải, người dùng có thể kết nối tới công nghệ khác để có dịch vụ tương tự Ngoài ra, nếu người dùng yêu cầu mức chất lượng dịch vụ cao mà công nghệ mạng đang sử dụng không thể đáp ứng, họ có thể sử dụng công nghệ khác Đây chính là các nhân tố thúc đẩy nghiên cứu cũng như bùng nổ kinh doanh về mạng 4G

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

1.1.4 Công nghệ LTE-Advanced trong mạng 4G

LTE là công nghệ tiếp theo được tổ chức 3GPP giới thiệu vào pha thứ 8 (Release 8) LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM làm công nghệ truy nhập vô tuyến và các công nghệ antenna tiên tiến [4] 3GPP là một tổ chức được thành lập vào tháng 12 năm 1998 Tổ chức đã tạo ra rất nhiều nhóm chuẩn viễn thông Tổ chức này gồm liên kết giữa ngành công nghiệp

và kinh doanh vô tuyến (ARIB), tổ chức chuẩn thông tin Trung Quốc (CcSA), viện chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI), tổ chức giải pháp ngành viễn thông (ATIS), liên hiệp công nghệ viễn thông (TTA) và tổ chức công nghệ viễn thông (TTC)

Các nhà nghiên cứu và các kỹ sư từ khắp thế giới đại diện cho các nhà vận hành mạng, các nhà cung cấp thiết bị và các viện nghiên cứu tham gia vào việc nghiên cứu hình thành lên chuẩn truy nhập vô tuyến LTE

Cùng với LTE, 3GPP cũng định nghĩa ra kiến trúc mạng phẳng, nền tảng dựa trên IP Kiến trúc này được định nghĩa như một phần của dự án ‘hệ thống kiến trúc tiên tiến’ (System Architecture Evolution - SAE) Kiến trúc và khái niệm LTE-SAE được thiết kế để đủ hỗ trợ cho khả năng sử dụng lớn của bất kỳ một dịch vụ nền tảng IP nào Kiến trúc dựa trên sự tiến hóa của mạng lõi đang sử dụng trong mạng GSM/WCDMA, với sự vận hành đơn giản và nhuần nhuyễn, giá triển khai hợp lý Công việc cũng được hoàn thành nhờ sự cộng tác giữa 3GPP và 3GPP2 (tổ chức chuẩn CDMA) để tối ưu hóa khả năng hoạt động qua lại giữa CDMA và LTE-SAE Điều này có nghĩa là các nhà vận hành mạng CDMA sẽ có thể phát triển mạng mình lên LTE-SAE và có thể tiết kiệm chi phí của việc triển khai [7]

Điểm đáng nói đầu tiên của chuẩn LTE là buổi hội thảo phát triển 3GPP RAN (Radio Access Network) được tổ chức vào tháng 12 năm 2004 tại Toronto, Canada Việc nghiên cứu và phát triển được bắt đầu vào tháng 12 năm 2004 với mục tiêu phát triển nền tảng cho sự phát triển của công nghệ truy nhập vô tuyến của 3GPP hướng tới:

- Giảm chi phí cho mỗi bit truyền

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

- Tăng khả năng cung cấp dịch vụ - nhiều dịch vụ ở mức giá thấp hơn với chất lượng dịch vụ cảm nhận người tốt hơn

- Sử dụng linh hoạt băng tần đã dùng và những băng tần mới

- Tiêu thụ công suất đầu cuối hợp lý

Khả năng của LTE đã được phát triển và kết quả đã được thông qua vào cuộc họp 3GPP tại Hàn quốc vào giữa năm 2007 Kết quả đã chỉ ra rằng LTE phù hợp và

ở một số trường hợp còn vượt chỉ tiêu đề ra cho tốc độ dữ liệu đỉnh, thông lượng người dùng ở biên cell và hiệu suất sử dụng băng thông, cũng như khả năng hoạt động của các dịch vụ MBMS [6]

Chuẩn hoạt động trên LTE được hoàn thành vào tháng 3 năm 2009 bao gồm cả SAE

a) Kiến trúc LTE

Song song với truy nhập vô tuyến LTE, mạng lõi cũng được phát triển thành kiến trúc SAE phẳng Kiến trúc mới này được thiết kế để tối ưu hoạt động mạng, nâng cao hiệu quả giá và tạo điều kiện để đẩy mạnh các dịch vụ trên nền IP khối lượng lớn

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.3: Kiến trúc LTE

Có hai nút trong mặt phẳng người dùng kiến trúc SAE: trạm gốc LTE (eNB) và nút cổng SAE (SAE-GW) như trên hình vẽ 1.3 Kiến trúc này giảm số lượng các nút trong các kết nối Trạm gốc LTE được kết nối tới mạng lõi trên giao diện S1 [7] Các hệ thống 3GPP (GSM và WCDMA/HSPA) và 3GPP2 (CDMA) được tích hợp vào để phát triển hệ thống thông qua các giao diện đã được chuẩn hóa, cung cấp tính di động hơn nữa với LTE Đối với hệ thống 3GPP, điều này có nghĩa là giao diện báo hiệu giữa SGSN và mạng core tiên tiến, đối với 3GPP2 là giao diện báo hiệu giữa CDMA RAN và mạng core tiên tiến Sự tích hợp này hỗ trợ cả chuyển giao trong và ngoài công nghệ vô tuyến, tạo ra sự linh hoạt cho LTE

Báo hiệu điều khiển ví dụ như cho quản lý di động do thực thể quản lý di động (MME) giám sát, nút này khác biệt với nút cổng, tạo điều kiện tối ưu triển khai mạng và cho phép mở rộng dung lượng một cách linh động

Máy chủ quản lý thuê bao (HSS) kết nối tới mạng lõi gói thông qua giao diện sử dụng giao thức Diameter chứ không dùng SS7 giống như trong mạng GSM và WCDMA Báo hiệu mạng để điều khiển các chính sách và thanh toán cước đang sử dụng giao thức Diameter Điều này có nghĩa là tất cả các giao diện trong kiến trúc này đều là giao diện IP

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LTE-SAE có sử dụng khái niệm QoS theo lớp Điều này sẽ cung cấp giải pháp đơn giản, nhưng vẫn hiệu quả cho các nhà vận hành mạng trong việc cung cấp các dịch vụ gói khác nhau

sẽ đánh giá và chứng nhận vào năm 2010, mục tiêu của ITU là sẽ công bố các công nghệ được chứng nhận vào năm 2011 Hiện tại 3GPP đã xây dựng và phát triển LTE-Advanced, đây là một công nghệ đi lên từ LTE nhằm đáp ứng các yêu cầu của IMT-Advanced Một vài sự cải tiến công nghệ vẫn còn đang trong quá trình xem xét như tổ hợp sóng mang, mạng MIMO, kỹ thuật phối hợp nhiễu tiên tiến và kỹ thuật Relay [4]

Những công nghệ thành phần đề xuất cho LTE-Advanced

Truyền dẫn băng rộng hơn và chia sẻ phổ tần

Mục tiêu tốc độ số liệu đỉnh của LTE-Advanced rất cao và chỉ có thể được thỏa mãn một cách vừa phải bằng cách tăng độ rộng băng truyền dẫn hơn nữa so với những gì được cung cấp ở Release đầu tiên của LTE và độ rộng băng truyền dẫn lên đến 100 MHz được thảo luận trong nội dung của LTE - Advanced Việc mở rộng độ rộng băng sẽ được thực hiện trong khi vẫn duy trì được tính tương thích phổ Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cần thiết Đối với thiết bị đầu cuối LTE, mỗi sóng mang thành phần sẽ xuất hiện như là một sóng mang LTE trong khi một thiết bị đầu cuối LTE-Advanced có thể khai thác toàn bộ độ rộng băng khối kết tập

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.4 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc

dù ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải là điều kiện tiên quyết Truy nhập đến một lượng lớn phổ liên tục ở bậc 100 MHz không thể có thường xuyên Do đó, LTE-Advanced có thể cho phép kết tập các sóng mang thành phần không liền kề để

xử lý các tình huống trong đó một khối lượng lớn phổ liên tiếp nhau không sẵn có Tuy nhiên, nên lưu ý rằng sự kết tập phổ không liền kề đang là thách thức từ khía cạnh thực thi Vì vậy, mặc dù khối kết tập phổ được hỗ trợ bởi các đặc tả cơ bản thì

sự kết tập phổ phân tán chỉ được cung cấp bởi các thiết bị đầu cuối cấp cao nhất Cuối cùng, lưu ý rằng truy nhập trên các độ rộng băng truyền dẫn cao hơn không chỉ hữu ích từ khía cạnh tốc độ đỉnh mà quan trọng hơn là công cụ cho việc mở rộng vùng phủ sóng với các tốc độ số liệu trung bình

Hình1.4 : Ví dụ về khối kết tập sóng mang

Giải pháp đa anten

Các công nghệ đa anten, bao gồm định dạng chùm và ghép kênh theo không gian là các thành phần công nghệ then chốt vốn có của LTE và chắc chắn sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng hơn trong LTE-Advanced Thiết kế đa anten LTE hiện tại cung cấp lên đến bốn cổng anten với các tín hiệu tham chiếu ô cụ thể tương ứng

ở đường xuống, kết hợp với sự tiền mã hóa dựa trên sổ mã Cấu trúc này cung cấp

cả sự ghép theo không gian lên đến bốn lớp, đưa đến tốc độ bit đỉnh là 300 Mbit/s cũng như là định dạng chùm (dựa trên sổ mã) Kết hợp với nhau trên độ rộng băng toàn phần là 100 MHz, sơ đồ ghép không gian LTE hiện tại sẽ đạt được tốc độ đỉnh

là 1,5 Gbit/s vượt xa so với yêu cầu của LTE-Advanced Có thể thấy trước rằng hỗ

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

trợ ghép kênh theo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần

Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Mục tiêu về tốc độ số liệu của LTE-Advanced yêu cầu sự cải thiện đáng kể về tỉ

lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu SINR ở thiết bị đầu cuối Định dạng chùm là một cách Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí Mô hình triển khai thu/phát đa điểm phối hợp với quá trình xử lí băng gốc ở một nút đơn được mô tả ở Hình 1.5 Ở đường xuống, nó chỉ ra sự phối hợp truyền dẫn từ đa điểm truyền dẫn Phụ thuộc vào quy mô mở rộng, có 3 phương án A, B, C như sau:

Ở phương án A, thiết bị đầu cuối không nhận ra sự truyền dẫn xuất phát từ nhiều điểm tách biệt về mặt vật lý Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở bộ thu cho truyền dẫn đơn điểm Mạng có thể dựa trên sự đo đạc suy hao đường truyền đang tồn tại, quyết định từ các điểm truyền dẫn nào để truyền đến thiết bị cụ thể Bởi vì các thiết bị đầu cuối không nhận biết được sự hiện diện của truyền dẫn đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể (sẵn có ở Release đầu tiên của LTE) phải được sử dụng cho việc đánh giá kênh Ở thiết lập này, truyền dẫn đa điểm phối hợp cung cấp độ lợi phân tập tương tự như ở mạng phát quảng bá đơn tần và kết quả là cải thiện bộ khuếch đại công suất ở mạng, đặc biệt ở trong các mạng có tải trọng nhẹ mà ở đó bộ khuếch đại công suất ở trạng thái rỗi

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.5 : Truyền dẫn đa điểm phối hợp

Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phản hồi trạng thái kênh đến mạng cho tất cả các kênh đường xuống hiển thị đối với một thiết bị đầu cuối riêng, trong khi quá trình xử lí bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn điểm Ở phía mạng, bởi vì tất cả các xử lí nằm trong một nút đơn nên có thể thực hiện phối hợp các hoạt động truyền dẫn nhanh và động ở các điểm truyền dẫn khác nhau Có thể thực hiện tiền lọc tín hiệu truyền đi theo không gian đến một thiết bị riêng để giảm can nhiễu giữa những người sử dụng Loại truyền dẫn đa điểm phối hợp này nói chung có thể cung cấp các lợi ích tương tự như phương pháp A ở trên nhưng ngoài việc cải thiện độ mạnh tín hiệu mong muốn, nó còn cho phép phối hợp can nhiễu giữa những người sử dụng để cải thiện hơn nữa SNR Bởi vì thiết bị đầu cuối không nhận biết việc xử lí chính xác ở mạng nên cần có các tín hiệu tham chiếu UE

cụ thể

Ở phương án C, báo cáo trạng thái kênh giống như phương pháp B Tuy nhiên, không giống như B, thiết bị đầu cuối được cung cấp thông tin nhận biết truyền dẫn phối hợp chính xác (từ những điểm nào với độ mạnh truyền dẫn bao nhiêu….) Thông tin này có thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ở phía thiết bị đầu cuối

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ở đường lên, việc thu đa điểm phối hợp chính đòi hỏi cách áp dụng xử lí tín hiệu thích đáng ở bộ thu Ở nhiều khía cạnh, điều này tương tự như phân tập ô lớn, vốn

đã sử dụng trong nhiều hệ thống mạng tế bào hiện nay

Các bộ lặp và các bộ chuyển tiếp

Từ việc xem xét quỹ đường truyền, việc triển khai các giải pháp chuyển tiếp khác nhau nhằm giảm khoảng cách máy phát và máy thu xuống và cho phép tăng tốc độ số liệu Các bộ lặp đơn giản sẽ khuếch đại và chuyển đi các tín hiệu tương tự thu được Khi được cài đặt, các bộ lặp liên tục chuyển đi tín hiệu thu được mà không quan tâm đến có thiết bị đầu cuối trong vùng phủ sóng của nó hay không Những bộ lặp như vậy không hiển thị đối với cả thiết bị đầu cuối và trạm gốc Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn

sơ đồ trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tích cực bộ lặp khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực Các báo cáo đo đạc bổ sung từ các thiết bị đầu cuối có thể cũng được xem xét như là phương tiện hướng dẫn mạng

mà trong đó các bộ lặp được bật lên Tuy nhiên, việc điều khiển tái truyền dẫn và lập biểu thường nằm ở trạm gốc và vì vậy, các bộ lặp thường trong suốt từ khía cạnh di động

Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ Đây thường được xem là chuyển tiếp giải mã hóa-và-truyền tiếp Khi nút trung gian giải mã hóa và tái mã hóa khối

số liệu thu được thì tạo ra trễ đáng kể, lâu hơn độ dài khung con LTE 1ms Tuy nhiên, các nút chuyển tiếp không truyền tiếp các tạp âm và sự thích nghi tốc độ có thể được thực hiện một cách riêng rẽ cho mỗi kết nối

Đối với các bộ lặp, tồn tại nhiều tùy chọn khác nhau phụ thuộc vào các tính năng được hỗ trợ (chẳng hạn, hỗ trợ hơn hai bước nhảy, hỗ trợ cấu trúc mắt lưới) nhưng ở mức cao, có thể phân biệt hai tầng khác nhau, dựa trên việc truyền tiếp được thực hiện ở lớp 2 (chuyển tiếp lớp 2) hay lớp 3 (chuyển tiếp lớp 3 hoặc tự chuyển tiếp (self back-hauling)

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại tạp âm), giải pháp self back-hauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện mới nào để chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có thể được ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng

Hình 1.6: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced 1.2 Công nghệ đa truy nhập trong LTE

1.2.1 Các kỹ thuật đa truy nhập cho OFDM

Các kỹ thuật đa truy nhập thường cố gắng cung cấp các kênh liên lạc trực giao hoặc không gây nhiễu cho nhau (không đè lên nhau) cho mỗi đường liên kết đang hoạt động Cách thông thường nhất để chia các tài nguyên sẵn có cho nhiều người dùng khác nhau là sử dụng phân chia theo tần số, thời gian và theo mã Trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số (Frequency Division Multiple Access – FDMA), mỗi người dùng nhận được một tần số sóng mang và băng thông duy nhất Trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access – TDMA), mỗi người dùng được phân cho một khe thời gian duy nhất theo yêu cầu hoặc theo thứ tự cố định Các hệ thống TDMA vô tuyến hầu hết cũng đều

sử dụng FDMA theo nhiều cách khác nhau do việc sử dụng toàn bộ dải phổ điện từ

là lãng phí và không hiệu quả Các hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trực giao (Code Division Multiple Access – CDMA) cho phép mỗi người dùng chia sẻ băng thông và các khe thời gian với nhiều người dùng khác và sử dụng các mã nhị phân trực giao để phân biệt những người dùng khác nhau Các hệ thống CDMA nói

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

chung bao gồm cả những hệ thống không sử dụng mã trực giao đều thực hiện chia

sẻ về mặt thời gian và tần số [13]

a) Đa truy nhập phân chia theo tần số

Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) có thể được sử dụng trong các hệ thống OFDM bằng cách chia mỗi người dùng một tập các sóng mang con Việc cấp phát này có thể được thực hiện theo nhiều cách Phương pháp đơn giản nhất là cấp phát tĩnh các sóng mang con cho mỗi người dùng như trên hình 1.7 Ví dụ, trong hệ thống OFDM 64 sóng mang con, người dùng 1 có thể nhận các sóng mang con từ 1-

16, với người dùng 2, 3 và 4 sẽ sử dụng các sóng mang con từ 17-21, 33-48, 49-64 một cách riêng biệt Việc cấp phát này được thực hiện với một bộ ghép kênh cho nhiều người dùng khác nhau trước khi thực hiện IFFT Một cách tự nhiên, có thể cấp phát không đều số sóng mang hiện có cho những người sử dụng khác nhau như: cấp nhiều sóng mang hơn cho người dùng có nhu cầu tốc độ cao và ít sóng mang hơn cho người dùng có tốc độ thấp hơn [13]

Hình 1.7: FDMA

Để cải thiện việc cấp phát tĩnh, có thể sử dụng cấp phát động dựa trên điều kiện kênh truyền Chẳng hạn do ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số, người dùng 1 có thể có kênh truyền tốt hơn trên các sóng mang con từ 33-48 trong khi người dùng 3 lại có kênh truyền tốt hơn trên các sóng mang từ 1-16 Hiển nhiên, sẽ có sự thay đổi

về lợi ích cho người dùng khi chuyển từ cấp phát tĩnh sang cấp phát động

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

b) Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Giống như đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) cũng có thể hỗ trợ nhiều người dùng Trong thực tế, các hệ thống sử dụng cả FDMA và TDMA do sẽ có nhiều người dùng trong hệ thống hơn

số người dùng có thể sử dụng cùng một lúc trên một ký hiệu OFDM đơn Hơn nữa, người dùng thường không có dữ liệu để gửi, do đó một điều rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất là các sóng mang con cần được cấp phát động để tránh tình trạng lãng phí [13]

Hình 1.8: Kết hợp FDMA và TDMA TDMA tĩnh được biểu diễn ở hình 1.8 Phương thức cấp phát TDMA tĩnh như vậy phù hợp cho các ứng dụng có tốc độ dữ liệu cố định – chuyển mạch kênh như thoại và luồng video Nhưng nói chung, một hệ thống như mạng 4G có thể sử dụng nhiều thuật toán lập lịch trình phức tạp dựa trên độ dài của hàng đợi, điều kiện kênh truyền và các yêu cầu về độ trễ để đạt được hiệu suất tốt hơn là TDMA tĩnh Trong

hệ thống dựa trên nền gói, TDMA tĩnh thường sử dụng bộ lập lịch trình theo kiểu vòng tròn (Round-robin): mỗi người dùng đơn giản là đợi đến lượt để truyền

c) Đa truy nhập phân chia theo mã

Đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access -CDMA) là kỹ thuật đa truy nhập nổi bật trong các hệ thống mạng tế bào hiện tại nhưng không phù hợp cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao do trong CDMA băng thông sẽ lớn hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu được sử dụng với mục đích là để triệt nhiễu như trên

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

hình 1.9 Trong các mạng băng rộng không dây, tốc độ dữ liệu thường rất lớn, do đó việc trải phổ rộng ra là không thể Thậm chí các chuẩn CDMA băng rộng đang phổ biến như HSDPA và 1xEV-DO chỉ có các hệ số trải phổ nhỏ và là các hệ thống TDMA động, trong đó các lần truyền của người dùng sẽ được dựa trên các đối tượng khác để lập lịch trình như điều kiện kênh truyền và trễ

OFDM và CDMA không phải hoàn toàn không tương thích với nhau; chúng có thể kết hợp với nhau để tạo ra một kỹ thuật khác là CDMA đa sóng mang (Multi-carrier CDMA – MC-CDMA) Trong đó có thể sử dụng tín hiệu trải phổ và phân biệt người dùng bằng các mã trong OFDM bằng cách trải tín hiệu theo miền thời gian hoặc tần số Trải theo miền thời gian bao gồm mỗi sóng mang sẽ truyền cùng một ký hiệu dữ liệu trên một vài ký hiệu OFDM liên tục; do đó ký hiệu được nhân bởi một chuỗi mã có chiều dài N và sau đó được gửi trên một sóng mang con cố định cho N ký hiệu OFDM tiếp theo Trải phổ theo tần số có hiệu suất cao hơn một chút so với trải phổ theo thời gian, cho phép mỗi ký tự dữ liệu được gửi đồng thời trên N sóng mang con khác nhau

Hình 1.9: CDMA d) Ưu điểm của OFDMA

OFDMA chủ yếu là sự kết hợp của FDMA và TDMA: những người dùng sẽ được cấp phát động các sóng mang con (FDMA) trong các khe thời gian khác nhau (TDMA) như trên hình 1.10

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

OFDMA kế thừa các ưu điểm của OFDM đơn người dùng ở chỗ có thể giảm mạnh ảnh hưởng của hiện tượng đa đường và phân tập tần số Thêm nữa, OFDMA

là một kỹ thuật đa truy nhập rất linh hoạt, có thể hỗ trợ nhiều người dùng với nhiều kiểu ứng dụng, nhiều tốc độ dữ liệu và các yêu cầu về QoS khác nhau Bởi vì đa truy nhập chỉ được thực hiện trong miền số trước khi thực hiện IFFT nên có thể thực hiện cấp phát băng thông động và hiệu quả Việc này cho phép thực hiện các thuật toán lập lịch trình phức tạp trong miền tần số và miền thời gian qua đó có thể phục vụ tốt nhất khi số lượng người dùng tăng lên [13]

Hình 1.10: Cấp phát sóng mang con trong OFDMA Một ưu điểm nổi bật của OFDMA có liên quan tới OFDM là nó có khả năng làm giảm công suất phát và giải quyết được vấn đề gặp phải về tỉ lệ công suất đỉnh trên trung bình (Peak-to-average-power ratio – PAPR) Vấn đề PAPR có tác động lớn tới đường lên do hiệu quả về mặt công suất và chi phí cho bộ khuyếch đại công suất

là những vấn đề nhạy cảm cần quan tâm Bằng cách chia toàn bộ băng thông giữa nhiều MS trong một cell, mỗi MS chỉ sử dụng một số sóng mang con nhỏ Do đó mỗi MS truyền với mức PAPR thấp hơn – chú ý rằng PAPR tăng khi số sóng mang con tăng – và thấp hơn nhiều so với tổng công suất nếu nó phải truyền trên toàn bộ băng thông Hình 1.11 minh họa việc này Như trên hình vẽ thì tổng công suất đã sử dụng là như nhau nhưng OFDMA cho phép công suất đỉnh thấp hơn nhiều Tốc độ

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

dữ liệu thấp hơn và các cụm dữ liệu được quản lý hiệu quả hơn trong OFDMA nếu

so với OFDM đơn người dùng hoặc với TDMA hay CSMA do thay vì phải phát ở mức năng lượng cao trên toàn bộ băng thông, OFDMA cho phép cùng một tốc độ

dữ liệu được gửi qua một khoảng thời gian dài hơn sử dụng cùng một mức công suất tổng

Hình 1.11: OFDM với 256 sóng mang con và OFDMA với chỉ 64 trong số

256 sóng mang con được sử dụng 1.2.2 Phân tập đa người dùng và điều chế thích nghi

Trong OFDMA, việc cấp phát sóng mang con và công suất được dựa trên điều kiện kênh truyền để có thể đạt được thông lượng lớn nhất Trong phần này, sẽ cung cấp những thông tin cơ bản về hai vấn đề quan trọng cho phép nâng cao hiệu suất của OFDMA: Phân tập đa người dùng và điều chế thích nghi Phân tập đa người dùng là một cách làm tăng hiệu suất của hệ thống khi số lượng người dùng tăng lên Điều chế thích nghi là cách làm tăng tốc độ dữ liệu khi có điều kiện kênh truyền tốt [13]

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

a) Phân tập đa người dung

Động lực chính cho việc cấp phát sóng mang con thích nghi trong các hệ thống OFDMA là việc sử dụng phân tập đa người dùng Mặc dù các hệ thống OFDMA có nhiều sóng mang con, ở đây chúng ta chỉ tập trung vào việc cấp phát một sóng mang con giữa những người dùng khác nhau

Xét một hệ thống K người dùng trong đó sóng mang con chịu ảnh hưởng của fading Rayleigh – nghĩa là độ lợi kênh truyền của mỗi người dùng là hoàn toàn độc lập với nhau – và được kí hiệu là hk Hàm mật độ xác suất (Probability Density Function – PDF) của độ lợi kênh truyền của người dùng thứ k – p(hk) như sau

2

2 neu h 0( )

0 neu h < 0

k h

độ lợi kênh truyền tăng này sẽ cải thiện dung lượng và tốc độ bit lỗi của QPSK không mã hóa Cả hai hình vẽ cho thấy độ lợi phân tập đa người dùng sẽ được cải thiện khi số lượng người dùng trong hệ thống tăng nhưng ảnh hưởng của độ lợi chỉ tác động tới vài người dùng đầu tiên Đặc biêt, người ta đã chứng minh được rằng,

sử dụng lý thuyết giá trị cực lớn, trong hệ thống K người dùng chỉ có tác động của fading Rayleigh, các tỉ lệ dung lượng trung bình là logK Nếu có thêm ảnh hưởng của shadowing đối với mỗi người dùng thì tỉ lệ sẽ được cải thiện về mức log k

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Trong hệ thống 4G, độ lợi phân tập đa người dùng nói chung sẽ bị giảm xuống

do ảnh hưởng của các nhân tố khác như phân tập không gian và sự cần thiết để gán các khối sóng mang liên tục cho nhiều người dùng Hơn nữa, các độ lợi từ phân tập

đa người dùng sẽ được cân nhắc kỹ trong các hệ thống thực tế Mặc dù chúng ta chỉ tập trung vào độ lợi theo nghĩa thông lượng (dung lượng) trong phần này, nhưng cũng cần chú ý rằng trong một vài trường hợp, ảnh hưởng lớn nhất từ việc phân tập

đa người dùng là đến tính ổn định đường truyền và vùng phủ sóng

Hình 1.12: PDF của hmax b) Điều chế và mã hóa thích nghi

Các hệ thống sử dụng điều chế và mã hóa thích nghi để khắc phục vấn đề biến động của kênh truyền Ý tưởng cơ sở là khá đơn giản: truyền ở tốc độ cao nhất có thể khi kênh truyền tốt và truyền ở tốc độ thấp hơn khi kênh truyền kém để tránh bị mất nhiều gói Các tốc độ dữ liệu thấp hơn có thể thực hiện bằng cách sử dụng chòm sao nhỏ như QPSK và các mã sửa lỗi tốc độ chậm như các mã Turbo hoặc mã xoắn tốc độ ½ Các tốc độ dữ liệu cao hơn có thể thực hiện với các chòm sao lớn như 64 QAM và các mã sửa lỗi tinh vi hơn như mã xoắn tốc độ ¾, mã Turbo hoặc các mã LDPC Nói chung, có 52 cấu hình tương ứng với các cách sắp xếp các kiểu điều chế và các loại mã hóa khác nhau có thể sử dụng cho hệ thống mặc dù hầu hết

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

các ứng dụng của 4G đưa ra chỉ sử dụng một phần trong số này Những cấu hình này được xem như là các cấu hình cụm (Burst Profiles)

Hình 1.13: Cho K người dùng khác nhau, (a): dung lượng trung bình và

(b) tỉ lệ bit lỗi của QPSK

Sơ đồ khối của hệ thống điều chế và mã hóa thích nghi (Adaptive Modulation Coding - AMC) được cho trên hình 1.13 Để đơn giản, đầu tiên chúng ta xem một

hệ thống đơn người dùng đang muốn truyền với tốc độ càng nhanh càng tốt qua một kênh truyền với SINR thay đổi – chẳng hạn do fading gây ra Mục đích của bên phát

là truyền dữ liệu từ hàng đợi của nó càng nhanh càng tốt và đảm bảo để dữ liệu được giải điều chế và giải mã một cách tin cậy tại bên thu Phản hồi là một vấn đề quan trọng đối với điều chế và mã hóa thích nghi: Bên truyền cần biết thông số

“SINR của kênh” у, được xác định bằng SINR уr bên nhận chia cho công suất phát Pt: уr = Pt.у

Hình 1.14 cho thấy khả năng có thể có được hiệu suất cao về sử dụng phổ đối với 6 cấu hình cụm phổ biến Việc này cho phép thông lượng tăng khi SINR tăng theo xu hướng được đưa ra bởi công thức Shannon:

C = log2 (1 +SNR) (1.3)

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.14: Sơ đồ khối mã hóa và điều chế thích nghi Trong trường hợp này, tốc độ dữ liệu thấp nhất là QPSK và các mã Turbo tốc độ

½; cấu hình cụm cho tốc độ dữ liệu cao nhất là trường hợp sử dụng 64 QAM và tốc

độ mã Turbo tốc độ ¾ Thông lượng đạt được được chuẩn hóa bởi băng thông theo công thức:

T = (1 –BLER)r.log2(M) bps/Hz (1.4) trong đó BLER là tốc độ lỗi khối, r <=1 là tốc độ mã hóa, và M là số điểm trong chòm sao Ví dụ, 64 QAM với tốc độ mã ¾ đạt được thông lượng tối đa khoảng 4.5bps/Hz trong khi BLER 0; QPSK với tốc độ mã ½ đạt được thông lượng khoảng 1bps/Hz

Trong hình 1.15 là thông lượng theo SINR với giả sử rằng đã chọn được cấu hình chòm sao và mã hóa tốt nhất cho mỗi SINR Chỉ 6 cấu hình được sử dụng trong hình này, và bộ giải mã Turbo là bộ giải mã MAP max log với 8 lần chuyển bản tin qua lại

Kết quả ở đây là trường hợp lý tưởng cho một kênh truyền hoàn hảo và không xét đến việc truyền lại – sử dụng ARQ Thực tế, việc phản hồi sẽ chịu một ít trễ và

có thể bị suy giảm do việc ước lượng kênh truyền không hoàn hảo hoặc các lỗi trên kênh phản hồi Các hệ thống 4G bảo vệ rất chặt chẽ kênh phản hồi bằng việc sửa lỗi, do đó nguyên nhân chính làm suy giảm thường là do sự di chuyển, vì di chuyển làm cho thông tin về ước lượng kênh truyền nhanh bị lạc hậu Thống kê cho thấy rằng với tốc độ lớn hơn 30 km/h trên sóng mang 2100 MHz, nếu sử dụng cấu hình phản hồi nhanh hơn cũng không cung cấp được cho bên phát thông tin về trạng thái kênh một cách chính xác theo thời gian

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.15: Thông lượng theo SINR Một khó khăn gặp phải trong AMC là việc điều khiển một cách hiệu quả 3 đại lượng một lúc: công suất phát, tốc độ truyền (chòm sao), và tốc độ mã hóa Việc này dẫn đến việc phải phát triển một cách phù hợp cho bộ điều khiển AMC như trên hình 1.15 Mặc dù có nhiều cách phù hợp có thể được phát triển từ việc nghiên cứu

lý thuyết điều chế thích nghi, trong thực tế, các nhà phát triển hệ thống cần phát triển và đưa ra các thuật toán tinh chỉnh dựa trên các mô phỏng sâu vì hiệu suất phụ thuộc vào nhiều yếu tố Một vài trong số chúng là:

 BLER và SINR thu được: theo lý thuyết điều chế thích nghi, bên phát chỉ cần biết các thống kê và SINR tức thời của kênh truyền Từ SINR của kênh, bên phát có thể xác định các kiểu điều chế/mã hóa tối ưu và công suất phát Trong thực tế, BLER nên được theo dõi một cách cẩn thận như bước cuối cùng để quyết định liệu tốc độ dữ liệu nên được tăng (nếu BLER thấp) hay giảm

 Tự động truyền lại (ARQ): ARQ cho phép quá trình truyền lại được nhanh hơn và Hybrid-ARQ nói chung làm tăng BLER tại điểm hoạt động với hệ số 10 như

là từ 1 đến 10% Đối với các ứng dụng chịu tác động của trễ, có thể chấp nhận BLER thậm chí lên tới 70% nếu bộ kết hợp Chase được sử dụng kết hợp với H-ARQ để xử lý các gói truyền không thành công

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

 Điều khiển công suất: Theo lý thuyết, cách điều khiển công suất tốt nhất từ quan điểm dung lượng là được gọi là phương thức điền đầy (waterfilling), trong đó mức năng lượng cao sẽ được cấp phát cho các kênh mạnh và mức năng lượng thấp được cấp phát cho các kênh yếu Trong thực tế, điều ngươc lại có thể đúng trong một vài trường hợp Ví dụ như trên hình 1.15, không có gì xảy ra với mức SINR bằng 13 dB so với mức SINR bằng 11 dB Trong cả hai trường hợp, thông lượng là

3 bps/Hz Do đó, khi cải thiện SINR từ 11 dB lên 13 dB, bên phát sẽ làm giảm công suất phát để tiết kiệm năng lượng và tạo ra ít nhiễu hơn cho các cell lân cận

 Điều chế thích nghi trong OFDMA: Trong một hệ thống OFDMA, mỗi người dùng được cấp phát một nhóm các sóng mang con, mỗi sóng mang có một tập giá trị SINR khác nhau Do đó, cần quan tâm tới việc chọn kiểu chòm sao/mã hóa dựa trên việc SINR thay đổi trên toàn bộ các sóng mang con

1.2.3 Các kỹ thuật cấp phát tài nguyên trong OFDMA

Có nhiều cách để tận dụng những ưu điểm của phân tập đa người dùng và điều chế thích nghi trong các hệ thống OFDMA Ý tưởng là phát triển các thuật toán để xác định việc lập lịch trình cho người dùng, cấp phát các sóng mang con cho họ như thế nào và phải xác định được mức công suất phù hợp cho mỗi người dùng trên mỗi sóng mang con Trong phần này, sẽ xem xét một vài phương pháp cấp phát tài nguyên Chúng ta tập trung vào các kỹ thuật cố gắng làm cân bằng giữa mong muốn

có thông lượng cao với sự công bằng giữa những người sử dụng trong cùng một hệ thống Giả sử rằng các hàng đợi ra cho mỗi người dùng là đầy nhưng trong thực tế các thuật toán được bàn ở đây có thể được thay đổi để phù hợp với chiều dài hàng đợi hoặc yêu cầu về trễ do trong nhiều ứng dụng các yêu cầu trên là quan trọng hơn thông lượng thô của hệ thống

Khi tham khảo đường xuống của hệ thống OFDMA, người dùng ước lượng và phản hồi thông tin trạng thái kênh truyền (Channel State Information – CSI) tập trung về trạm gốc, tại đây việc cấp phát sóng mang và công suất được xác định theo CSI của người dùng và các thủ tục cấp phát tài nguyên Khi các sóng mang con cho mỗi người dùng được xác định, trạm gốc phải thông báo cho mỗi người dùng về

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

sóng mang con nào đã được cấp phát cho nó Việc ánh xạ sóng mang con này phải được phát quảng bá cho tất cả người dùng bất cứ khi nào có sự thay đổi về cấp phát tài nguyên Thông thường, việc cấp phát tài nguyên phải được thực hiện theo thứ tự của kênh theo thời gian, mặc dù nó có thể được thực hiện thường xuyên hơn nếu có nhiều người dùng đang tranh chấp tài nguyên

Việc cấp phát tài nguyên thường được xem như là một vấn đề bắt buộc về tối ưu hóa, để hoặc là làm giảm tối đa tổng công suất truyền với tốc độ dữ liệu người dùng xác định hoặc làm tăng tối đa tốc độ dữ liệu tổng cộng với tổng công suất truyền xác định Vấn đề đầu tiên phù hợp cho các ứng dụng có tốc độ cố định như thoại trong khi vấn đề thứ hai phù hợp hơn với các ứng dụng truyền theo cụm như dữ liệu

và các ứng dụng IP khác Do đó, trong phần này sẽ tập trung vào các thuật toán thích nghi về tốc độ (vấn đề thứ 2) do chúng có liên quan nhiều đến các hệ thống 4G Cũng cần chú ý rằng những công việc liên quan đến cấp phát tài nguyên này cũng được thực hiện cho các hệ thống DSL đa sóng mang Trong phần này cũng giả

sử rằng trạm gốc có được thông tin về trạng thái kênh truyền tức thời trong điều kiện tốt nhất cho tất người dùng

a) Thuật toán tốc độ tổng tối đa

Như cái tên đã thể hiện, mục đích của thuật toán tốc độ tổng tối đa (Maximum Sum Rate – MSR) là để tối đa hóa tốc độ tổng của tất cả người dùng với một ràng buộc về công suất phát tổng cho trước Thuật toán này là tối ưu nếu mục đích chỉ là

để truyền càng nhiều dữ liệu qua hệ thống càng tốt Điểm hạn chế của thuật toán MSR là nếu có một vài người dùng ở gần trạm gốc, và do đó sẽ có điều kiện kênh truyền tốt nhất, thì họ sẽ được cấp phát toàn bộ tài nguyên của hệ thống Chúng ta

sẽ mô tả ngắn gọn các điểm mà thuật toán MSR có thể làm được như về SINR, tốc

độ dữ liệu, công suất và cấp phát sóng mang con

Bảng 1.1: Ý nghĩa của các ký hiệu

Ký hiệu Ý nghĩa

K Số người dùng

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Ký hiệu Ý nghĩa

L Số sóng mang con

Hk,l Đường bao độ lợi kênh của người dùng k trong sóng mang con l

Pk,l Công suất phát được cấp phát cho người dùng k trong sóng mang con l

σ2 Mật độ phổ công suất của AWGN

Ptot Tổng công suất phát cho phép của trạm

B Tổng băng thông truyền dẫn

Gọi , là công suất phát của người dùng thứ k trong sóng mang con thứ l Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm cho người dùng thứ k trong sóng mang con l được

ký hiệu là , có thể biểu diễn dưới dạng:

k l

K L

k l P

có thể được viết như sau:

, 2

k l

k l

P C

Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

trong đó , – , là thể hiện nhiễu của những người dùng khác với người dùng thứ k trong sóng mang con l Dễ dàng thấy rằng được tối đa khi tất cả các biến công suất , được gán cho một người dùng với độ lợi kênh lớn nhất trong sóng mang con thứ l Kết quả này tương đương với việc cấp mỗi kênh cho người dùng với độ lợi lớn nhất trong kênh đó Việc này đôi khi được xem như tối ưu hóa theo kiểu “tham lam” Việc cấp phát công suất tối ưu thực hiện bởi thuật toán điền đầy

đã nêu ở phần trước và dung lượng tổng tối đa đã được xác định bởi việc tăng thêm tốc độ ở mỗi sóng mang con

b) Thuật toán cân bằng tối đa

Mặc dù thông lượng tổng được tối đa hóa bằng thuật toán MSR, trong một hệ thống tổ ong khi mức tổn thất trên đường truyền thay đổi một vài mức biên độ giữa những người dùng, một vài người sẽ phải chịu điều kiện truyền dẫn rất kém nếu sử dụng thủ tục lập lịch trình dựa trên MSR Thay vào đó, thuật toán cân bằng tối đa có khuynh hướng cấp phát các sóng mang và công suất tối đa khi tốc độ người dùng nhỏ nhất Việc này tương ứng với việc cân bằng tốc độ dữ liệu của tất cả người dùng, do đó có tên “cân bằng tối đa”

Thuật toán cân bằng tối đa là để giải quyết vần đề lớn nhất – nhỏ nhất do mục đích là để tối đa hóa tốc độ dữ liệu nhỏ nhất Việc tối ưu cấp phát công suất và sóng mang con là khó xác định hơn là trong t rường hợp MSR Nó đặc biệt khó khi mà muốn tối ưu cùng lúc cả việc cấp phát sóng mang con và công suất Do đó, cần thiết chia các thuật toán tối ưu ra các phần nhỏ hơn để đỡ phức tạp hơn trong đó việc cấp phát công suất và sóng mang con được thực hiện riêng biệt

Công việc ban đầu bao giờ cũng cấp một công suất như nhau cho mỗi sóng mang con và sau đó sẽ gán mỗi sóng mang con sẵn có cho một người dùng có tốc

độ thấp với điều kiện kênh truyền tốt nhất trên nó Khi việc cấp phát sóng mang con từng phần này hoàn thành, việc cấp phát công suất tối ưu (theo kiểu điền đầy) được thực hiện Thường thì việc tối ưu hóa từng phần theo kiểu xấp xỉ này cũng cho kết quả gần với việc tối ưu hóa theo kiểu tìm kiếm một thiết lập phù hợp nhất khi cấp