Quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống OFDMA 4g

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương RAT Radio Access Technology Công nghệ truy cập vo tuyến RRA Radio Resource Allocation Phân bổ tài nguyên vô tuyến RRM Radio Re

MỤC LỤC

Mở đầu Error! Bookmark not defined

1.1 Bối cảnh và động lực 2

1.2 Mục tiêu của luận án 5

1.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.4 Những đóng góp của luận án 6

1.5 Cấu trúc nghiên cứu của luận án 7

CHƯƠNG II: Quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống OFDMA 9

2.1 Giới thiệu 9

2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) 9

2.3 Các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến cho các hệ thống OFDMA 12

2.4 Các công cụ tối ưu 13

2.5 Cấu trúc hệ thống 14

2.6 RRM cho đường xuống của mạng OFDMA 15

2.7 Sự cân nhắc lựa chọn cơ bản giữa hiệu suất và công bằng người sử dụng 16 CHƯƠNG III: Phân bổ tài nguyên thích ứng công bằng/tốc độ cho mạng OFDMA 19

3.1 Giới thiệu 19

3.2 Quản lý sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằng người dùng sử dụng sự tối ưu thích ứng tốc độ 19

3.3 Phân bổ tài nguyên thích ứng công bằng/tốc độ cho hệ thống OFDMA 22

3.3.1 Tối đa tốc độ tổng dựa trên sự công bằng (FSRM) 24

3.3.2 Tối đa hóa tốc độ tổng với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa trên sự công bằng (FSRM-P) 24

3.3.3 Tối đa tốc độ tối thiểu với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa trên sự công bằng (FMMR-P) 25

3.4 Các kỹ thuật phân bổ tài nguyên đề xuất 26

3.4.1 Phân chia sóng mang con động ban đầu 28

3.4.2 Sự phân chia sóng mang con động dựa trên sự công bằng 28

3.4.3 Sự phân bổ công suất thích ứng dựa trên sự công bằng 32

3.4.4 Sự chi tiết các chính sách thích ứng công bằng/tốc độ 35

3.5 Các kết quả đánh giá 39

3.5.1 Phân tích sơ bộ các kỹ thuật thích ứng tốc độ cổ điển 41

3.5.2 Phân tích tập trung các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ 42

3.5.3 Phân tích phân phối tốc độ và tỉ lệ tốc độ 44

3.5.4 Phân tích sự công bằng 46

3.5.5 Phân tích hiệu suất 49

3.5.6 Phân tích sự hài lòng 53

3.5.7 Phân tích thời gian CPU 55

3.6 Kết quả 57

CHƯƠNG IV: Sự phân bổ tài nguyên dựa trên hàm tiện ích 60

4.1 Giới thiệu 60

4.2 Quản lý sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằng người sử dụng sử dụng lý thuyết tiện ích 61

4.3 Sự phân bổ tài nguyên vô tuyến dựa trên hàm tiện ích cho hệ thống OFDMA 62

4.3.1 Dịch vụ phi thời gian thực 63

4.3.2 Dịch vụ thời gian thực 68

4.4 Các khung phân bổ nguồn tài nguyên thích ứng 70

4.4.1 Quy tắc Alpha dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ phi thời gian thực 71

4.4.2 Quy tắc Beta dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ thời gian thực 75

4.5 Kết quả đánh giá 80

4.5.1 Đánh giá hiệu suất của khung quy tắc Alpha 82

4.5.2 Đánh giá hiệu suất của khung quy tắc Beta 93

4.5.3 Thực hiện so sánh giữa thích ứng công bằng/tốc độ và sự phân bổ nguồn tài nguyên dựa trên hàm tiện ích trong một kịch bản với các dịch vụ NRT

102

4.6 Kết luận 105

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 107

5.1 Các kết luận 107

5.2 Công việc tương lai 110

Tài liệu tham khảo 1

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU

Công bằng dựa trên trễ thích ứng

AMC Adaptive Modulation and

Coding

Điều chế và mã hóa thích ứng

APA Adaptive Power Allocation Phân bổ công suất thích ứng

ATF Adaptive Throughput-Based

Fairness

Công bằng dựa trên thông lƣợng thích ứng

BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

CDF Cumulative Distribution

Function

Hàm phân phối tích lũy

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo mã

CFI Cell Fairness Index Chỉ số công bằng tế bào

CFT Cell Fairness Target Mục tiêu công bằng tế bào

CNR Channel-to-Noise Ratio Tỉ số kênh trên nhiễu

CoMP Coordinated Multi-Point Đa điểm phối hợp

CPU Central Processing Unit Đơn vị xử lý trung tâm

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

DAS Distributed Antenna System Hệ thống Anten phân phối

DSA Dynamic Sub-carrier

Assignment

Phân bổ sóng mang con động

DSL Digital Subscriber Line Đường thuê bao số

EI Efficiency Indicator Chỉ số hiệu suất

EPA Equal Power Allocation Phân bổ công suất ngang bằng FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần

số FER Frame Erasure Rate Tốc độ xóa khung

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh

FI Fairness Indicator Chỉ số công bằng

FIFO First-In-First-Out Vào đầu ra đầu

Tối đa tốc độ tổng với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa trên công bằng

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền File

HDR High Data Rate Tốc độ dữ liệu cao

HSDPA High Speed Downlink

Packet Access

Truy cập gói đường xuống tốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao

ID Identification Number Số xác minh

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers International Mobile

Hội kỹ sư điện và điện tử di dộng thế giới

IMT-2000 Telecommunications for the

year 2000

Truyền thông cho năm 2000

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên kí tự

ITU International

Telecommunications Union

Đơn vị truyền thông quốc tế

LTE Long Term Evolution

Phương pháp điều chế và mã hóa

MIMO Multiple Input Multiple

Output

Đa đầu vào đa đầu ra

M-LWDF Modified Largest Weighted

Delay First

Điều chỉnh trọng số trễ lớn nhất đầu tiên

MMF Max-Min Fairness Tối đa công bằng tối thiểu

MMR Max-Min Rate Tối đa tốc độ tối thiểu

MMR-P Max-Min Rate with

Proportional Rate Constraints

Tối đa tốc độ tối thiểu với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ

MT Mobile Terminal Thuê bao di động

NRT Non-Real Time Phi thời gian thực

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexin

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao

PAPR Peak to Average Power

Ratio

Tỉ số công suất trung bình đỉnh

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PF Proportional Fairness Công bằng tỉ lệ

PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý

PSC Packet Scheduling Lập lịch gói

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying

Khóa dịch pha cầu phương

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy cập vo tuyến

RRA Radio Resource Allocation Phân bổ tài nguyên vô tuyến

RRM Radio Resource

Management

Quản lý tài nguyên vô tuyến

SRM Sum Rate Maximization Tối đa tốc độ tổng

SRM-P Sum Rate Maximization

with Proportional Rate Constraints

Tối đa tốc độ tổng với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ

TDMA Time Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo thời gian

TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền tải

UFI User Fairness Index Chỉ số công bằng người sử dụng UMTS Universal Mobile

Telecommunications System

Hệ thống truyền thông di dộng quốc

tế VoIP Voice over IP Thoại trên nền IP

WCDMA Wideband CDMA WiMAX CDMA Wimax băng rộng

d Khoảng cách giữa trạm gốc và người sử dụng

dholj Trễ đầu hàng của người sử dụng j

dhol,filtj Trễ đầu hàng bộ lọc của người sử dụng j

dreqj Yêu cầu trễ của người sử dụng j

fdelay Hằng số bộ lọc của trung bình trễ đầu hàng

fthru Hằng số bộ lọc sử dụng trong trung bình thông lượng

J Tổng số lượng người sử dụng

K Tổng số lượng sóng mang con

Lpathj Nhiễu đường phụ thuộc khoảng cách người sử dụng j

Lshadowj Nhiễu Shadow của người sử dụng j

Lfastj,k Fading nhanh của người sử dụng j trong sóng mang con k

pk Công suất truyền tải của sóng mang con k

prxj,k Công suất nhận của người sử dụng j trong sóng mang con k

prxj,k

Công suất nhận trung bình của người sử dụng j trong sóng mang con

k

pnoise Công suất nhiễu

Ptotal Tổng công suất truyền tải của BS

Rj Tốc độ truyền tải của người sử dụng j

Rcell Tốc độ tế bào tổng

S Tập tất cả sóng mang con trong hệ thống

Sj Tập con sóng mang con phân bổ cho người sử dụng j

ttti Khoảng thời gian truyền tải

Treqj Yêu cầu thông lượng của người sử dụng j

Uj(⋅) Hàm tiện ích của người sử dụng j

wnrtj Trọng số dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ phi thời gian thực

wrtj Trọng số dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ thời gian thực

∆f Băng thông sóng mang con

∆p Phần công suất truyền tải để hỗ trợ thích ứng công bằng

δj,k Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của người sử dụng j trong sóng mang con k

δj,k

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu trung bình của người sử dụng j trong sóng mang con k

εnrt Kích thước bước vòng lặp điều khiển của kỹ thuật ATF

εrt Kích thước bước vòng lặp điều khiển của kỹ thuật ADF

ϑ Hệ số tạp âm

λj Yêu cầu tốc độ tỉ lệ của người sử dụng j

j Chỉ số công bằng người sử dụng cho dịch vụ thời gian thực

Φcell Chỉ số công bằng tế bào chung

target Mục tiêu công bằng tế bào cho dịch vụ thời gian thực

ρj,k Chỉ số kết nối của sóng mang con k với người sử dụng j

σ Chuẩn Shadowing

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các chỉ số đánh giá của sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng 18 Bảng 3.1 Tính năng của các phương pháp thích ứng công bằng của các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ 39 Bảng 3.2: Các thông số trong mô phỏng để đánh giá các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ 39 Bảng 3.3: Chỉ số công bằng tế bào trung bình như một hàm của số lượng người sử dụng cho các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ 49 Bảng 3.4: Thông lượng tế bào tổng (Mbps) như một hàm của số lượng người sử dụng cho các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ 51 Bảng 3.5: Tỉ lệ phần trăm sự hài lòng người sử dụng như một hàm của số lượng người sử dụng cho các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ 54 Bảng 4.1: Các đặc tính của khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích (4.20) 72 Bảng 4.2: Đặc tính của khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 77 Bảng 4.3: Các tham số mô phỏng chung cho việc đánh giá các khung dựa trên hàm tiện ích 81 Bảng 4.4 [16] cho thấy các tham số mô phỏng cụ thể được sử dụng trong việc đánh giá hiệu suất của khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích 82 Bảng 4.5 Chỉ số công bằng tế bào trung bình như một hàm của số lượng người sử dụng cho khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích 87 Bảng 4.6: Thông lượng tế bào tổng trong Mbps như một hàm của số lượng người sử dụng cho khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích 88 Bảng 4.7: Tỉ lệ phần trăm sự hài lòng người sử dụng như một hàm của số lượng những người sử dụng cho khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích 90 Bảng 4.8: Các tham số mô phỏng cụ thể để đánh giá khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 93 Bảng 4.9: Chỉ số công bằng tế bào trung bình là một hàm của số lượng người sử dụng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 97

Bảng 4.10: Thông lượng tế bào tổng trong Mbps như một hàm của số lượng người

sử dụng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 98 Bảng 4.11: Tỉ lệ phần trăm của sự hài lòng người sử dụng như một hàm của số lượng người sử dụng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 100 Bảng 5.1 Tóm tắt các tính năng chính liên quan đến sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và tính công bằng của tất cả các kỹ thuật RRA nghiên cứu trong luận án này 109

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Nguồn tài nguyên truyền tải OFDMA cơ bản 11 Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống 14 Hình 2.3 Sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằngngười sử dụng trong các mạng không dây 17 Hình 3.1 Mặt phẳng hiệu suất-công bằng trong các mạng không dây 20 Hình 3.2: Mối quan hệ giữa sự phân phối QoS và thích ứng cân bằng 27 Hình 3.3: Sơ đồ khối chung của thuật toán phân chia sóng mang con động(DSA) dựa trên sự công bằng 29 Hình 3.4: Sơ đồ khối chung của thuật toán phân bổ công suất thích ứng (APA) dựa trên sự công bằng 33 Hình 3.5: Chi tiết các chính sách thích ứng công bằng/tốc độ với DSA ban đầu và các thuật toán DSA và APA dựa trên sự công bằng 36 Hình 3.6: Phân tích sơ bộ các chính sách thích ứng tốc độ cổ điển 42 Hình 3.7: Hàm mật độ xác suất chuẩn hóa (PDF) của số lần lặp đi lặp lại được yêu cầu cho sự hội tụ của các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ 43 Hình 3.8: Hàm phân phối tích lũy (CDF) của tốc độ truyền tải cho các chính sách thích ứng công bằng/tốc độ xem xét kịch bản với 16 người sử dụng 45 Hình 3.9: Các biểu đồ thanh tốc độ truyền tải cho các kỹ thuật thích ứng công

bằng/tốc độ xem xét kịch bản với các mục tiêu công bằng tế bào thay đổi và 8 người

sử dụng 48

Hình 3.10: Chỉ số công bằng tế bào trung bình như một hàm của số lượng người sử dụng cho các kỹ thuật cổ điển (đường liền) và thích ứng công bằng/tốc độ (đường đứt nét) 48 Hình 3.11: Tốc độ tế bào tổng như một hàm của số lượng người sử dụng cho các kỹ thuật cổ điển (đường liền) và thích ứng công bằng/tốc độ (đường đứt nét) 50 Hình 3.12: Mặt phẳng hiệu suất-công bằng cho các kỹ thuật cổ điểnvà kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ 52 Hình 3.13: Sự hài lòng của người sử dụng như một hàm của số lượng người sử dụng cho các kỹ thuật cổ điển (đường liền) và kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ

(đường đứt nét) 53 Hình 3.14: Mặt phẳng hài lòng-công bằng cho các kỹ thuật cổ điểnvà thích ứng và công bằng/tốc độ 55 Hình 3.15: Mặt phẳng thời gian CPU-công bằng cho các kỹ thuật cổ điểnvà kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ 56 Hình 4.1: Sự phân chia sóng mang con động dựa trên hàm tiện ích 66 Hình 4.2: Phân bổ công suất Waterfilling 68 Hình 4.3 Họ của các hàm tiện ích sử dụng trong khung phân bổ tài nguyên cho các dịch vụ NRT (quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích) 71 Hình 4.4 Sơ đồ khối của kỹ thuật công bằng dựa trên thông lượng thích ứng 75 Hình 4.5 Họ của các hàm tiện ích sử dụng khung phân bổtài nguyên cho các dịch vụ

RT 76 Hình 4.6: Thông lượng người sử dụng trung bình như một hàm của số lượng người

sử dụng cho các chính sách RRA cổ điển khác nhau xem xét các nhóm bên trong và bên ngoài 83 Hình 4.7 Phân tích sự hội tụ của chính sách ATF 85 Hình 4.8 Chỉ số công bằng tế bào trung bình như một hàm số lượng ngườisử dụng cho khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích 86 Hình 4.9: Thông lượng tế bào tổng như một hàm của số lượng người sử dụng

chokhung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích 87 Hình 4.10 Mặt phẳng hiệu suất-công bằng cho khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích 89 Hình 4.11 Sự hài lòng người sử dụng như một hàm của số lượng người sử dụngcho khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích 90

Hình 4.12: Mặt phẳng sự hài lòng-công bằng cho khung quy tắc alpha dựatrên tiện ích 91 Hình 4.13 Mặt phẳng thời gian CPU-công bằng cho khung quy tắc alpha dựatrên tiện ích 92 Hình 4.14: Thông lượng sử dụng trung bình như một hàm của số lượng người sử dụng cho chính sách ATF xem xét các nhóm bên trong và bên ngoài 93 Hình 4.15: 90 phần trăm trễ gói như là một hàm của số lượng người sử dụng cho các chính sách RRA cổ điển khác nhau xem xét các nhóm bên trong và bên ngoài 94 Hình 4.16 Phân tích sự hội tụ của chính sách ADF 95 Hình 4.17: Chỉ số công bằng tế bào trung bình là một hàm của số lượng ngườisử dụng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 96 Hình 4.18: Thông lượng tế bào tổng như một hàm của số lượng người sử dụngcho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 97 Hình 4.19 Mặt phẳng hiệu suất-công bằng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 98 Hình 4.20: Sự hài lòng người sử dụng như một hàm của số lượng người sử dụngcho các khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 99 Hình 4.21: Mặt phẳng sự hài lòng-công bằng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 100 Hình 4.22: Mặt phẳng thời gian CPU-công bằng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích 101 Hình 4.23: 90 phần trăm trễ gói như một hàm của số lượng người sử dụng cho chính sách ADF xem xét các nhóm bên trong và bên ngoài 102 Hình 4.24: So sánh giữa thích ứng công bằng/tốc độ và kỹ thuật RRA dựa trên hàm tiện ích cho các dịch vụ NRT (mặt phẳng hiệu suất-công bằng) 103 Hình 4.25: So sánh giữa công bằng/thích ứng tốc độ và kỹ thuật RRA dựa trên hàm tiện ích dịch vụ NRT (mặt phẳng sự hài lòng-công bằng) 104 Hình 4.26: So sánh giữa thích ứng công bằng/tốc độ và kỹ thuật RRA dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ NRT (mặt phẳng thời gian CPU-công bằng) 104

1

MỞ ĐẦU

Những yêu cầu và sự mong đợi của người sử dụng và các nhà điều hành mạng

di động liên tục phát triển Do đó, các công nghệ truy cập vô tuyến tiên tiến đã xuất

hiện Viễn thông di động quốc tế tiên tiến (IMT-Advanced) đã đặt ra các thông số

kỹ thuật cho thế hệ mạng thông tin di động băng thông rộng (4G), nâng cao tốc độ

dữ liệu đỉnh tới 100Mbps và 1Gbps cho tính di động cao và thấp được cung cấp Để

đạt được điều này, đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) đã được

chọn là công nghệ truy cập

Để nghiên cứu đầy đủ sự linh hoạt của các công nghệ và sử dụng nguồn tài

nguyên vô tuyến hữu hạn một cách hiệu quả nhất, các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô

tuyến thích ứng và thông minh (RRM) là rất quan trọng Có rất nhiều vấn đề RRM

mở trong mạng không dây nói chung và OFDMA trên các hệ thống di động nói riêng

Một trong những vấn đề đó là sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất sử dụng tài nguyên

và công bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên giữa những người sử dụng

Một số thuật toán RRM cơ hội phân bổ động nguồn tài nguyên tới những

người sử dụng đưa ra chỉ số hiệu suất cao nhất đối với những nguồn tài nguyên đó

RRM cơ hội nghiên cứu để tối đa hiệu suất trong việc sử dụng tài nguyên Sự cân

nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng xuất hiện khi nguồn tài nguyên có các

chỉ số hiệu suất khác nhau đối với những người sử dụng khác nhau (sự phân tập đa

người sử dụng và đa tế bào) Việc sử dụng phân bổ nguồn tài nguyên cơ hội gây ra

những tình huống không công bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên Mặt khác, các

phương pháp cung cấp sự công bằng tuyệt đối bảo vệ tài nguyên của những người

sử dụng có điều kiện kênh xấu nhưng lại cản trở những người sử dụng với điều kiện

tốt Do đó, các phương pháp này sẽ làm giảm công suất hệ thống

Trong luận án này, một số chính sách và kỹ thuật RRM được nghiên cứu để

cân bằng sự thỏa hiệp này trong mạng OFDMA Luận văn này nghiên cứu một mô

hình quản lý mạng mới dựa trên sự điều chỉnh chỉ số công bằng tế bào trong các

kịch bản với các dịch vụ phi thời gian thực (NRT) và dịch vụ thời gian thực (RT)

Hai phương pháp kiểm soát tính công bằng được nghiên cứu: kiểm soát tức thời

bằng các kỹ thuật RRM thích ứng công bằng/tốc độ tổng quát và kiểm soát trung

bình sử dụng các khung dựa trên hàm tiện ích

Các kỹ thuật RRM xem xét trong luận án này được đánh giá bằng các mô

phỏng hệ thống Với mạng OFDMA, các kỹ thuật RRM thích ứng được nghiên cứu

là các công cụ có giá trị cho các nhà khai thác di động, bởi vì chúng là sự mở

rộng của các chiến lược RRM cổ điển đã được biết đến trong các tài liệu Những kỹ

thuật đó có thể đảm bảo các mức công bằng khác nhau trong hệ thống và kiểm soát

sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng người sử dụng khi phân bổ nguồn

tài nguyên Hơn nữa, các chiến lược dựa trên hàm tiện ích thực hiện kiểm soát tính

công bằng trung bình có thể cung cấp kết quả hoạt động tốt như các kỹ thuật thích

ứng công bằng/tốc độ nhưng sử dụng tính toán ít phức tạp hơn

Viễn thông di động quốc tế 2000 (IMT-2000) đưa ra một tập các yêu cầu chuẩn cho truyền thông di động 3G Các thông số kỹ thuật IMT-2000 được phát triển bởi Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) Hệ thống 3G hỗ trợ tốc độ dữ liệu tối thiểu trong các môi trường di động khác nhau: 144 kbps với tính di động cao (xe cộ); 384 kbps với tính di động thấp (đi bộ) và 2 Mbps trong môi trường văn phòng trong nhà

Trong số các họ chuẩn phù hợp với các yêu cầu của IMT-2000: Hệ thống viễn thông di động toàn cầu (UMTS), cdma2000 và Mobile Worldwide Interoperability cho truy nhập Viba (WiMAX) là ba hệ thống phát triển nhất Hệ thống WCDMA phát triển từ hệ thống toàn cầu cho thông tin di động (GSM).Hệ thống cdma2000 phát triển từ các chuẩn IS-95 dựa trên công nghệ FDD với công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Hệ thống di động WiMAX (802.16e-2005) tiến hóa từ chuẩn 802.16-2001 cho hệ thống truy cập không dây băng rộng cố định dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) Hệ thống WCDMA được chuẩn hóa bởi Tổ chức đối tác phát triển thế hệ 3 (3GPP), CDMA2000 bởi tổ chức đối tác phát triển 2 thế hệ 3(3GPP2) và WiMAX do viện

kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE)

Tuy nhiên, những yêu cầu và sự mong đợi của người sử dụng và nhà điều hành liên tục phát triển Do đó các công nghệ truy cập vô tuyến đã xuất hiện Các

họ 3GPP, 3GPP2 và IEEE đã chuẩn hóa hệ thống chuyển từ 3G sang thế hệ 4G Ví

dụ như: truy nhập gói dữ liệu tốc độ cao 3GPP (HSPA) và Long Term Evolution (LTE), cdma2000 Evolution-Data Optimized (EV-DO) 3GPP2 Rev.A và Rev.B và IEEE 802.16k-2007 và 802.16-2009

Các yêu cầu cho thông tin di động 4G được xác định bởi các thông số kỹ thuật IMT-Advanced [1].Hệ thống này cung cấp truy cập tới một phạm vi rộng các dịch

vụ viễn thông bao gồm các dịch vụ di động tiên tiến được hỗ trợ bởi các mạng di động và cố định Một số đặc điểm và yêu cầu của hệ thống 4G là: băng thông rộng

3

hơn, linh hoạt phổ tần, trễ thấp, nâng cao công suất hệ thống và vùng phủ sóng, giảm chi phí tổng cho nhà điều hành và công nghệ truy cập vô tuyến gói tối ưu với tốc độ dữ liệu đỉnh 100Mbps và 1 Gbps cho tính di động cao và thấp

Ngày nay, hai nghiên cứu cho tiêu chuẩn 4G được chấp nhận bởi ITU là: 3GPP LTE-Advanced và IEEE WirelessMAN-Advanced 3 (IEEE 802.16m) Một đặc điểm chung quan trọng của cả hai hệ thống 4G là việc sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) và OFDMA như phương pháp truy cập đa điểm trong các liên kết chuyển tiếp

OFDM chia một kênh băng thông rộng thành nhiều sóng mang con hẹp song song Mỗi sóng mang con mang một dòng dữ liệu tốc độ thấp Điều này có hai ưu điểm chính: Thứ nhất, hệ thống kháng cự được với fading lựa chọn tần số được tạo bởi sự truyền lan đa đường Do mỗi sóng mang con sẽ nhận được một đáp ứng tần

số gần như bằng phẳng Thứ hai, nếu băng thông hệ thống là đủ lớn, tổng của các dòng dữ liệu tốc độ thấp trên mỗi sóng mang con sẽ dẫn tới một sự truyền tải tốc độ

dữ liệu cao Hơn nữa, việc tiếp nhận một tín hiệu OFDM chỉ đòi hỏi một bộ biến đổi Fourier nhanh (FFT) Điều đó đem lại sự phức tạp tính toán hợp lý trong thiết bị đầu cuối di động

OFDM trên các hệ thống có sự phân tập đa người sử dụng, tức là những người

sử dụng có chất lượng kênh khác nhau đối với các sóng mang con Sự phân tập này

có thể được nghiên cứu đầy đủ bởi OFDMA, bởi vì OFDMA cho phép nhiều người

sử dụng truyền tải đồng thời trên các sóng mang con khác nhau Bên cạnh đó, OFDMA tận dụng lợi thế của sự phân tập tần số, cho phép mỗi sóng mang con sử dụng một phương pháp điều chế và mã hóa khác nhau (MCS) hoặc một mức công suất riêng Do nguồn tài nguyên OFDMA được phân chia trong miền thời gian, người dùng có thể truy cập hệ thống trong các khe thời gian khác nhau Cuối cùng, tính chất song song của ghép kênh OFDM là rất thích hợp với mô hình nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO)

Để nghiên cứu đầy đủ tính linh hoạt được cung cấp bởi OFDMA và đạt được các yêu cầu của hệ thống 4G, các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) hiệu quả là rất quan trọng Giả sử rằng, trạm gốc biết thông tin trạng thái kênh (CSI) của những người sử dụng khác nhau, các cơ chế phân bổ thích ứng có thể được sử dụng

để phân bổ các nguồn tài nguyên hạn chế (ví dụ: băng thông và công suất) một cách thông minh để tối đa một vài số đo hiệu suất Vì vậy, vấn đề phân bổ các khe thời gian, sóng mang con, tốc độ và công suất tới những người sử dụng khác nhau trong một hệ thống OFDMA đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng

4

Ngoài ra còn có các giải pháp khác có thể tăng hiệu suất sử dụng mạng di động băng thông rộng đối với các yêu cầu tốc độ dữ liệu của hệ thống 4G Như việc tái sử dụng không gian của phổ tần số trên các tế bào chịu trách nhiệm cho sự tăng công suất mạng không dây trong những năm qua

Phân bổ nguồn tài nguyên cho các hệ thống thông tin di động không dây có thể có các mục tiêu khác nhau, chẳng hạn như tối đa công suất hệ thống, vùng phủ sóng di động, QoS người sử dụng, công bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên Nhìn chung tất cả những mục tiêu này không thể đạt được cùng lúc Dưới đây luận văn liệt kê một số thỏa hiệp cơ bản xuất hiện trong các mạng di động không dây:

- Vùng phủ và QoS: Do sự suy giảm tín hiệu khi truyền tải, QoS của người sử dụng nằm ở rìa tế bào là thường thấp hơn so với QoS thu bởi người sử dụng ở gần trạm gốc Một thủ tục được sử dụng trong việc quy hoạch và định kích cỡ của các hệ thống di động là xác định bán kính tế bào phụ thuộc vào QoS yêu cầu của người sử dụng Sự cân nhắc lựa chọn là rõ ràng trong thủ tục định kích cỡ này do yêu cầu QoS tối thiểu càng cao thì vùng phủ sóng di động sẽ càng nhỏ

- Công suất và vùng phủ: công suất quá lớn có thể tác động tiêu cực lên độ bao phủ của hệ thống Đây là trường hợp của các hệ thống 3G trên CDMA, các tế bào co lại khi tải hệ thống lớn Ở một khía cạnh khác, các trạm cơ sở với công suất cao cung cấp độ bao phủ tốt, nhưng cũng tạo ra nhiễu tới các tế bào lân cận Điều đó có thể làm giảm công suất hệ thống tổng

- Công suất và QoS: một sự thỏa hiệu rõ ràng giữa công suất hệ thống và QoS người sử dụng là nếu tồn tại quá nhiều người sử dụng trong hệ thống sẽ làm giảm QoS của mỗi người sử dụng Hơn nữa, một cách phổ biến để đánh giá công suất hệ thống là xác định tỉ lệ phần trăm người sử dụng hài lòng Yêu cầu phần trăm sự hài lòng càng cao thì công suất càng thấp (và ngược lại)

- Công bằng & vùng bao phủ: Vị trí người dùng ngẫu nhiên trong vùng phủ sóng

và sự biến đổi kênh không dây là nguyên nhân gây ra khác biệt trong chất lượng kênh thu nhận của người sử dụng Sự biến đổi chất lượng này tỉ lệ thuận với sự phủ sóng di động: kích thước tế bào càng lớn các biến đổi kênh càng cao Thông thường, các thuật toán phân bổ nguồn tài nguyên đưa vào tính toán CSI của người sử dụng Vì vậy, CSI của người sử dụng thay đổi càng cao, tínhcông bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên tương ứng càng thấp

- Công bằng & QoS: Vì nguồn tài nguyên không dây được giới hạn, QoS của người sử dụng không thể được cải thiện một cách vô hạn định Nếu QoS của số

ít người sử dụng được tối đa thì những người sử dụng khác sẽ thiếu tài nguyên

Sự mất cân bằng này dẫn đến tính công bằng giảm Mặt khác, nếu tính công

Chú ý rằng các thỏa hiệp được mô tả ở trên là những sự cân nhắc lựa chọn cơ bản được tìm thấy trong hệ thống di động tế bào và phần lớn trong số đó là công nghệ thuật độc lập Thiết kế hệ thống, việc triển khai các kỹ thuật cụ thể và sử dụng các kỹ thuật RRM phù hợp có thể giúp các nhà khai thác mạng giảm sự chênh lệch giữa các yếu tố đối lập

1.2 Mục tiêu của luận án

Mục tiêu chính của luận án này được tóm tắt dưới đây:

1 Quan điểm lý thuyết và đánh giá sử dụng các mô phỏng hệ thống, các giải pháp RRM thích ứng cho đường xuống OFDMA chủ yếu tập trung vào việc tối ưu sự phân chia sóng mang con và phân bổ công suất

2 Nghiên cứu khái niệm cân nhắc lựa chọn cơ bản giữa hiệu suất và tính công bằng trong các mạng không dây Đưa ra các nghiên cứu quản lý sự cân nhắc lựa chọn trong OFDMA trên các hệ thống sử dụng RRM

3 Xây dựng và đánh giá các chính sách RRM với các mục tiêu tối ưu khác nhau, chẳng hạn như tối đa công suất hệ thống, tối đa tính công bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên hoặc một sự thỏa hiệp giữa các yếu tố đó

4 Phân tích khả năng áp dụng các công cụ tối ưu khác nhau trong giải pháp của các vấn đề RRM được xây dựng trong luận án này

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp luận sử dụng để thực hiện các mục tiêu được đưa ra trong phần trước dựa trên: phân tích lý thuyết và đánh giá mô phỏng hệ thống

6

Đầu tiên, sự sưu tập tài liệu được tiến hành để thiết lập một nền tảng vững chắc về đối tượng nghiên cứu Các nguồn được sử dụng trong nghiên cứu này là những cuốn sách, tạp trí, bài báo đăng trong hội nghị quốc tế, thông số kỹ thuật chuẩn hóa, các báo cáo và cơ sở dữ liệu khác có trên Internet

Việc đánh giá hiệu suất của hệ thống thông tin liên lạc không dây chỉ sử dụng phương pháp phân tích/toán học là một nhiệm vụ rất phức tạp Điều này là do thực

tế, sự biến đổi thời gian của các kênh vô tuyến, fading trong miền không gian và thời gian sẽ rất khó để giải quyết bằng phương pháp toán học Vì lý do đó, các mô phỏng hệ thống được sử dụng rộng rãi để đánh giá các khía cạnh như quy hoạch hệ thống, đo đạc và điều chỉnh kỹ thuật và thuật toán Trong thực tế, mô phỏng có thể tạo ra mô hình của hệ thống với độ chi tiết cao, nó cho phép xác nhận các thuật toán

cụ thể Trong phạm vi của luận án này, tôi đánh giá mô phỏng được sử dụng với hai mục tiêu: 1) xác nhận các mệnh đề (giả thuyết) gắn liền với các thuật toán RRM đề xuất; 2) đánh giá hiệu suất và so sánh các kỹ thuật RRM tương ứng

Để đạt mục tiêu này, mô phỏng hệ thống thời gian rời rạc đã được phát triển bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab Nó thực hiện mô hình các khía cạnh quan trọng nhất của một mạng di động nói chung và công nghệ OFDMA nói riêng Các kỹ thuật RRM,các khung nghiên cứu trong luận án này được thực hiện bằng cách đánh giá kết quả mô phỏng Mô tả chi tiết của các mô hình được sử dụng trong công cụ mô phỏng được đưa ra trong phụ lục A

2 Quản lý sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng trong mạng OFDMA: Một sự đo lường công bằng định lượng được sử dụng để tính chỉ

số công bằng tế bào Mỗi giá trị của chỉ số công bằng tế bào tương ứng với một hiệu suất khác nhau trong việc sử dụng tài nguyên Vì vậy, nếu các nhà điều hành điện thoại di động có thể buộc mạng hoạt động trên một mức độ công bằng mong muốn, họ có thể kiểm soát sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng Ý tưởng ban đầu này được xác nhận bằng cách sử dụng các kỹ thuật phân bổ nguồn tài nguyênvô tuyến (RRA) khác nhau phù hợp

b) Khung RRA dựa trên hàm tiện ích cho các dịch vụ NRT: Dựa trên khái niệm lý thuyết tiện ích, luận văn nghiên cứu một khung RRA tham số chung phù hợp cho các dịch vụ NRT có tên là quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích Sự điều chỉnh duy nhất tham số α trong cấu trúc tham số của nó, khung RRA này có thể được thiết kế để làm việc như các chính sách RRA cổ điển được biết đến Hơn nữa, bằng cách sử dụng hàm tiện ích dựa trên thông lượng thích ứng, nó có thể thực hiện kiểm soát trung bình các mức độ công bằng trong hệ thống

c) Khung RRA dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ thời gian thực (RT): Luận văn cũng nghiên cứu một khung RRA mới gọi là quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích, tham số β kiểm soát tính công bằng có thể được điều chỉnh

để hoạt động như các chính sách RRA cổ điển đã được biết đến Hơn nữa,

sự linh hoạt khung có thể được nghiên cứu và tính công bằng dựa trên trễ trong hệ thống có thể được điều chỉnh để chỉ số công bằng tế bào có thể hội tụ về một mục tiêu mong muốn

1.5 Cấu trúc nghiên cứu của luận án

Nội dung chính của tài liệu này được cấu trúc trong bốn chương và bốn phụ lục, được mô tả ngắn gọn như sau:

Chương 2 đưa ra một mô tả tổng quát các vấn đề và các giải pháp RRM cho OFDMA trên các mạng di động tế bào Các chủ đề được thảo luận trong chương này là: các đặc điểm và lợi ích của công nghệ OFDMA và các kỹ thuật RRM phổ biến nhất cho hệ thống này; một vài công cụ tối ưu được tìm thấy trong các tài liệu

có thể giải quyết các vấn đề RRM quan trọng Kiến trúc hệ thống được xem xét Giải thích chi tiết về sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng trong các mạng không dây

kỹ thuật RRA thích ứng công bằng/tốc độ chung có khả năng thực hiện điều khiển công bằng tức thời Để đạt được mục tiêu tối ưu, luận văn sử dụng sự phỏng đoán

để nghiên cứu các thuật toán phân bổ sóng mang con động (DSA) và thuật toán phân bổ công suất thích ứng (APA) mới Các kết quả đánh giá được đưa ra theo thứ

tự để chứng minh tính đúng đắn của các kỹ thuật Mô tả chi tiết của các công cụ mô phỏng được sử dụng trong luận án này được đưa ra trong phụ lục A Các chính sách thích ứng tốc độ cổ điển được mô tả trong phụ lục B

Lý thuyết tiện ích được sử dụng trong chương 4 để nghiên cứu hai khung RRA thích ứng phù hợp cho mạng OFDMA cung cấp các dịch vụ NRT và RT Khung RRA đầu tiên là kết quả của vấn đề tối ưu hàm tiện ích dựa trên thông lượng (tốc độ

dữ liệu trung bình), trong khi khung RRA sau dựa trên sự tối ưu trễ gói Cả hai khung đều bao gồm các thuật toán DSA và APA trên việc sử dụng các trọng số dựa trên hàm tiện ích để cung cấp QoS khác nhau giữa những người sử dụng và điều chỉnh sự phân bổ tính công bằng trong hệ thống như mong muốn Hiệu suất của các khung được đánh giá bằng mô phỏng hệ thống Trong việc đánh giá hiệu suất này, các khía cạnh khác nhau được xem xét, chẳng hạn như phân tích sơ bộ các kỹ thuật RRA cổ điển, sự hội tụ của các khung đề xuất, tính công bằng, công suất hệ thống,

sự hài lòng người sử dụng và độ phức tạp thuật toán Luận văn cũng đưa ra một sự

so sánh giữa các kỹ thuật RRA thích ứng công bằng/tốc độ được miêu tả trong chương 3 (xây dựng công thức tối ưu dựa trên tốc độ tức thời) và khung RRA dựa trên hàm tiện ích phù hợp cho các dịch vụ NRT đưa ra trong chương 4 (xem xét một cửa sổ thời gian cho sự kiểm soát tính công bằng trong vấn đề tối ưu dựa trên hàm tiện ích)

Cuối cùng, chương 5 đưa ra kết luận chính của luận văn Luận văn cũng đưa ra tóm tắt các chức năng của tất cả các kỹ thuật RRA nghiên cứu trong luận án này liên quan đến sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng Cuối cùng, một số quan điểm cho công trình nghiên cứu tiếp theo được đưa ra

vô tuyến được chọn cho các mạng 4G, ví dụ như hệ thống LTE- Advance được tiêu chuẩn hoá bởi Tổ chức đối tác phát triển(3GPP) thế hệ 3 và hệ thống WiMAX được tiêu chuẩn hoá bởi IEEE OFDMA mang lại sự linh hoạt trong phân bổ tài nguyên

và khả năng nghiên cứu một loạt các chính sách RRM thúvị

Mục đích của chương này là đưa ra bức tranh toàn cảnh của RRM cho các hệ thống OFDMA và chỉ ra luận án này nằm ở đâu trong bức tranh đó Chương này bắt đầu bằng mô tả sơ lược về OFDMA trong phần 2.2 Phần này sẽ nêu ra lợi ích của việc sử dụng công nghệ OFDMA, các loại tài nguyên vô tuyến khả dụng và những kiểu phân tập có thể được nghiên cứu Phần 2.3 đưa ra các kỹ thuật RRM được nghiên cứu trong luận văn này Phần 2.4 đưa ra những công cụ tối ưu hoá thường dùng để giải quyết các vấn đề RRM đối với hệ thống OFDMA Cấu trúc hệ thống được đưa ra trong phần 2.5 Phần 2.6 đưa ra tổng quan các vấn đề RRM và các giải pháp đối với các mạng OFDMA Cuối cùng, phần 2.7 mô tả chi tiết vấn đề RRM (vấn đề được xử lý trong suốt luận văn này): sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất sử dụng tài nguyên và sự công bằng trong phân bổ tài nguyên

2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA)

Đã có nhiều công trình cố gắng để nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) trên các hệ thống băng thông rộng Những đặc tính của kênh, tín hiệu và máy thu cần chú ý được cho dưới đây:

- Thời gian phân tán: việc sử dụng song song nhiều sóng mang con trong OFDM giúp kéo dài khoảng thời gian ký hiệu Thêm vào đó, thời gian bảo vệ có thể được thêm vào để chống lại nhiễu liên kí hiệu (ISI)

- Hiệu suất phổ: OFDM được xây dựng với các sóng mang trực giao, do đó cho phép

sự phân tách tần số và hiệu suất phổ tần cao Hiệu quả phổ cũng có các đặc tính hàm phổ dốc (roll-off) tốt, sự gián đoạn chéo-ký hiệu có thể được xử lý thông qua cửa sổ thời gian riêng, bộ lọc riêng hoặc thông qua một sự kết hợp của hai kỹ thuật

- Sự thu nhận: Sự thu nhận tín hiệu OFDM yêu cầu một biến đổi Fourier nhanh duy nhất trong các thiết bị đầu cuối di động Hơn nữa, do chèn thêm tiền tố khiến OFDM không nhạy cảm với các lỗi thu nhận thời gian Mặt khác, OFDM đòi hỏi phải thực hiện sự điều chỉnh dịch tần số

- Sự mở rộng đa đầu vào đa đầu ra (MIMO): Vì các sóng mang con OFDM được xây dựng như các kênh hẹp song song, quá trình fading của mỗi sóng mang con

là gần như bằng phẳng Do đó ta có thể mô hình chúng như một hằng số độ lợi Điều này có thể thực hiện bởi phương pháp ăng ten MIMO nếu nó được áp dụng

10

tại cơ sở của các sóng mang con hoặc kênh con

Trong một hệ thống OFDMA tồn tại những nguồn tài nguyên khác nhau cần được phân bổ hợp lý giữa những người sử dụng Những nguồn tài nguyên này có thể tóm tắt như sau:

- Tần số sóng mang con: Thích ứng miền tần số (kích thước sóng mang con) đạt

độ lợi hiệu suất lớn trong trường hợp kênh thay đổi vượt quá băng thông của hệ thống Do đó, thích ứng miền tần số ngày càng quan trọng với một băng thông

hệ thống ngày càng tăng Sự truyền tải OFDM hỗ trợ lập lịch miền tần số bằng cách phân bổ động các tập sóng mang con khác nhau chosự truyền tải đến các thiết bị đầu cuối di động khác nhau (các MT)

- Khe/khung thời gian: Nghiên cứu sự biến đổi kênh trong miền thời gian thông qua sự lập lịch độc lập kênh cung cấp một sự gia tăng đáng kể trong hiệu suất phổ tần, như đã được quan sát hệ thống HSDPA chuẩn hóa bởi 3GPP Ghép kênh cũng có thể được thực hiện trong miền thời gian của các hệ thống OFDM, miễn là nó xảy ra tại tốc độ kí hiệu OFDM hoặc tại bội số của tốc độ kí hiệu

- Phương pháp điều chế và mã hoá (MCS): Sử dụng điều chế và mã hoá thích ứng, các máy phát có thể truyền tốc độ dữ cao hơn trên các sóng mang con với những điều kiện kênh tốt hơn để cải thiện thông lượng đồng thời đảm bảo một tỉ lệ lỗi bit chấp nhận được trên tấtcả sóng mang con MCS sử dụng cho mỗi sóng mang con

có thể được thay đổi tại một bội số của tốc độ kí hiệu OFDM Sự điều chỉnh động của phương pháp điều chế và mã hoá thường được gọi như thích ứng liên kết

- Công suất truyền tải: Do sự suy giảm chọn lọc tần số của các kênh không dây, công suất truyền tải trên mỗi sóng mang con có thể được thích ứng để tăng hiệu suất phổ tần Công suất có thể được tối đa nếu công suất truyền tải lớn hơn được áp dụng cho những khoảng tần số với sự suy giảm thấp có liên quan tới các tần số khác Do các sóng mang con khác nhau có sự suy giảm khác nhau và truyền tải số lượng bit khác nhau, các mức công suất truyền tải phải được thay đổi cho phù hợp

- Anten và MIMO thích ứng: Để thực hiện được các yêu cầu về độ phủ, hiệu suất

và tốc độ dữ liệu cao, phương pháp đa ăngten khác nhau phải được hỗ trợ bởi các hệ thống băng thông rộng thế hệ thứ tư (4G) Ví dụ, Beamforming có thể được sử dụng để tăng công suất bao phủ, ghép kênh không gian (MIMO) có thể được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu bằng cách truyền nhiều luồng song song tới một người sử dụng Tiềm năng của việc sử dụng miền không gian là lớn, sự phát triển của các thuật toán đa ăngten mới vàhiệu quả hơn được dự kiến sẽ tiếp tục nghiên cứu trong tương lai Tuy nhiên, anten thích ứng làm tăng them các khía cạnh khác của vấn đề tối ưu tài nguyên OFDM

Ngoài ra còn có các nguồn tài nguyên khác trong hệ thống di động OFDMA phải được nghiên cứu bằng các thuật toán RRM như:

- Thời gian: sự phân tập thời gian xuất phát từ bản chất thời gian thay đổi của các kênh vô tuyến Vận tốc trong trạng thái thay đổi kênh có thể được ước tính bằng thời gian liên kết kênh

- Tần số: các sóng mang con khác nhau của một hệ thống không dây băng thông rộng có một sự suy giảm khác nhau (sự phân tập tần số)

11

- Không gian: còn được biết đến như phân tập ăngten (sự phân tập không gian)

là bất kỳ một trong số các phương pháp phân tập không dây sử dụng hai hoặc nhiều anten để cải thiện độ tin cậy và chất lượng của một kết nối không dây

- Đa người sử dụng: Với một số thiết bị đầu cuối đang nằm trong tế bào, các sóng mang con có thể ở các trạng tháichất lượng khác nhau đối với các thiết

bị đầu cuối khác nhau Nói cách khác, kịch bản truyền thông đa người sử dụng được đặc trưng bởi tính chọn lọc không gian của các sóng mang con

Lý do gây ra sự chọn lọc không gian này là thực tế quá trình fading độc lập với các thiết bị đầu cuối khác nhau

Khung OFDMA cung cấp một lưới thời gian/tần số, như minh họa trong hình 2.1 [2] Trong trường hợp nhiều ăngten truyền, mỗi anten có một mạng lưới như vậy Khung này cung cấp khả năng ghép kênh người sử dụng và thích ứng liên kết trong các miền thời gian, tần số và không gian Thời gian tối thiểu để truyền và phân chia tài nguyên là khe thời gian hay còn gọi là khoảng thời gian truyền (TTI) TTI bao gồm n kí hiệu OFDM Khoảng thời gian TTI được chọn là ngắn đủ để cho phép truyền lại mà không gây ra trễ gói tin quá mức, để hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực như thông lượng cao cho giao thức điều khiển truyền tải (TCP)

Hình 2.1: Nguồn tài nguyên truyền tải OFDMA cơ bản Các khe thời gian được chia nhỏ hơn nữa trong miền tần số trong các khúc dữ liệu hay còn được gọi là khối tài nguyên vật lý (PRB) Một khúc bao gồm k sóng mang con liền kề Khúc dữ liệu là đơn vị nhỏ nhất để phân bổ nguồn tài nguyên và thích ứng liên kết Băng thông khúc dữ liệu được chọn là hẹp đủ để chất lượng kênh

là tương đối ổn định trong mỗi khúc ngay cả trong điều kiện lan truyền khó khăn Trong hình 2.1, các khúc được hình thành bởi nxm tài nguyên cơ bản, trong đó n ký hiệu OFDM và m sóng mang con liền kề được giả định trên mỗi khúc

Các khúc có thể được phân chia độc lập để truyền tới các MT khác nhau hỗ trợ lập lịch miền tần số phụ thuộc kênh Điều này có nghĩa rằng tập các khúc được

12

truyền tới máy thu riêng có thể được phân mảnh (không phân bổ liên tiếp) trong miền tần số Các khúc cũng có thể được truyền đi với các chùm hoặc các ăng ten khác nhau, có thể với nhiều lớp chồng chéo lên nhau, qua đó hỗ trợ lập lịch và ghép kênh trong miền không gian Phương pháp điều chế và mã hóa có thể được lựa chọn độc lập cho từng khúc, cung cấp thích ứng liên kết miền tần số Lập lịch miền tần số

và thích ứng liên kết với một sự phân giải của một khúc đơn có thể cung cấp độ lợi hiệu suất cao ngay cả trong điều kiện fading lớn Bên cạnh đó, OFDMA cung cấp

sự linh hoạt phân bổ công suất và tốc độ tối ưu giữa các sóng mang con băng hẹp Các Pilot là cần thiết để ước lượng kênh, giải điều chế và báo cáo chất lượng kênh Các ký hiệu Pilot được sử dụng cho thích ứng liên kết Pilot được đưa vào lưới thời gian/tần số bằng cách dự phòng một số tài nguyên cơ bản trong mỗi khúc (như có thể thấy trong hình 2.1) Ngoài những khúc cho dữ liệu người sử dụng, một số khúc được cấp phát cho tín hiệu điều khiển Những khúc điều khiển đó thực hiện lập lịch và truyền tải thông tin định dạng, ví dụ: chỉ thị thông tin máy thu mong muốn cũng như dạng truyền tải (điều chế, mã hóa và kiểu pilot) sử dụng cho từng khúc dữ liệu

2.3 Các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến cho các hệ thống OFDMA

Có rất nhiều lý do nghiên cứu mức linh hoạt cao của RRM trong các mạng OFDMA Việc phân bổ nguồn tài nguyên trong OFDMA trên các hệ thống tế bào tương ứng với một vấn đề đa chiều vì miền thời gian, tần số, không gian nên được

sử dụng hiệu quả Một chiến lược phân bổ nguồn tài nguyên hiệu quả là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất OFDMA trên các hệ thống Để tận dụng lợi thế của OFDMA và vô số nguồn tài nguyên thời gian/tần số/không gian, điều quan trọng là chúng ta phải đưa ra các kỹ thuật phân bổ hiệu quả để nghiên cứu đầy đủ tất cả các loại phân tập được cung cấp bởi hệ thống

Kỹ thuật RRM hiệu quả mới là rất cần thiết để cung cấp độ lợi lớn trong vùng phủ, công suất và QoS cho OFDMA trên các mạng không dây băng thông rộng Trong một mạng không dây thương mại, cải thiện vùng phủ sóng, công suất và QoS đại diện cho mức lợi nhuận đầu tư tốt hơn và các dịch vụ vô tuyến tốt hơn Đối với các khách hàng, điều này sẽ mang lại các dịch vụ tốt hơn, công bằng cao hơn và mức QoS tăng với giá cả thấp hơn

Các kỹ thuật RRM nghiên cứu một số nguồn tài nguyên của tính phân tập đưa

ra trong hệ thống di động không dây để phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách tốt nhất có thể Đó là việc xem xét các khía cạnh như công suất hệ thống, độ phủ sóng

di động, công bằng và QoS người sử dụng Có rất nhiều thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến (RRA) có thể sử dụng cho OFDMA Luận án không thể đưa ra một danh sách đầy đủ các kỹ thuật đó, vì vậy chúng ta mô tả ngắn gọn những lĩnh vực được xem xét trong nghiên cứu này:

- Phân chia sóng mang con động (DSA): Tính chọn lọc không gian của các sóng mang con liên quan đến sự phân tập đa người sử dụng, dẫn đến cơ hội phân chia các sóng mang con khác nhau tới những người sử dụng khác nhau Thuật toán DSA nghiên cứu sự linh hoạt của hệ thống OFDMA và xác định các cặp người sử dụng/sóng mang con theo một chính sách RRA cụ thể [3]

- Phân bổ công suất thích ứng (APA): Thuật toán này cũng được gọi là tải công

13

suất trong tài liệu Mỗi sóng mang con có thể có một độ lợi kênh khác nhau tùy thuộc vào: tần số liên quan tới (sự phân tập tần số), thời điểm nó được phân bổ (sự phân tập thời gian) và người sử dụng mà nó được phân chia (sự phân tập đa người sử dụng) APA đưa ra sự thích ứng động công suất của mỗi sóng mang con [4]

- Điều chế và mã hoá thích ứng (AMC): Kỹ thuật này còn được biết đến như tải bit [5] Nó nghiên cứu sự phân tập thời gian và tần số để phân bổ MCS phù hợp nhất cho mỗi sóng mang con theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) Trong luận án này, thuật toán AMC đơn giản được thực hiện sau các thuật toán DSA và APA, khi mà SNR của mỗi sóng mang con đã được tính toán Để chi tiết hơn về phương pháp thích ứng liên kết được sử dụng trong nghiên cứu này, hãy tham khảo phần A.5 của phụ lục A

2.4 Các công cụ tối ưu

Có rất nhiều vấn đề RRM trong OFDMA trên các mạng tế bào Một số mục tiêu của các kỹ thuật RRM là: nâng cao công suất, tối ưu vùng phủ sóng, tiêu thụ năng lượng thấp, QoS nâng cao, tính công bằng cao hơn, sử dụng phổ tốt hơn Hầu hết các phương pháp RRM có thể được xây dựng như các vấn đề tối ưu RRA, với một hàm mục tiêu phải được tối đa hoặc tối thiểu và những ràng buộc tối ưu tương ứng với những hạn chế vật lý của mạng

Để giải quyết những vấn đề này, một số công cụ tối ưu sẽ được chọn Lựa chọn phụ thuộc vào một số yếu tố như việc xây dựng các vấn đề tối ưu, bản chất của các biến có liên quan, khả năng tuyến tính của các hàm mục tiêu và khả năng nới lỏng các ràng buộc tối ưu Hơn nữa, đối với cùng các vấn đề RRM, các công thức tối ưu khác nhau dẫn đến các chính sách RRA khác nhau

Khi giải pháp tối ưu của vấn đề tối ưu là quá khó khăn để đưa ra, một số phương pháp tối ưu phụ có thể được sử dụng Hai trong số các phương pháp phổ biến nhất được tìm thấy trong các tài liệu được liệt kê dưới đây [3] [4]:

- Sự nới lỏng các ràng buộc: Ý tưởng là nới lỏng một số ràng buộc tối ưu để

dễ giải quyết vấn đề Một ví dụ: nới lỏng ràng buộc số nguyên trong sự phân chia sóng mang con hoặc phân chia các bit Do đó mỗi sóng mang con có thể được gán cho nhiều MT khác nhau đồng thời “và/hoặc” có thể mang một số không nguyên của các bit trong một TTI Bằng cách này, các vấn đề tối ưu có thể trở thành các vấn đề lập trình tuyến tính Tuy nhiên, sau khi giải quyết vấn

đề nới lỏng, giải pháp nới lỏng phải được đánh giá lại do chỉ có các giải pháp số nguyên là khả thi từ quan điểm của mạng lưới

- Tách vấn đề: Phương pháp này sử dụng khái niệm "chia để trị", tức là chia các vấn đề phức tạp thành hai hoặc nhiều bước đơn giản hơn để tìm ra một giải pháp tối ưu phụ đủ chặt chẽ gần sát với giải pháp tối ưu Phương pháp này được

sử dụng nhiều trong các kỹ thuật RRA nghiên cứu trong luận án này

Một loạt các công cụ tối ưu tồn tại phát sinh từ việc tính toán toán học và khoa học máy tính Những công cụ này dựa trên một số phương pháp từ tuyến tính tới kỹ thuật lập trình Trong phạm vi của luận án này không đưa ra sự sự phân loại các công cụ tối ưu phù hợp để giải quyết các vấn đề RRM Vì vậy, bên dưới sẽ liệt kê các công cụ được sử dụng trong công trình nghiên cứu hiện tại

14

- Phỏng đoán: Là phương pháp giải quyết vấn đề bằng cách đánh giá kinh nghiệm dựa trên các kỹ thuật để giải quyết vấn đề Phỏng đoán được sử dụng để tìm ra các giải pháp tối ưu phụ hy vọng gần sát với sự tối ưu với sự phức tạp tính toán ít hơn so với các kỹ thuật tối ưu tổ hợp thông thường khác

- Lý thuyết tiện ích: Lý thuyết này ban đầu được hình thành cho các ứng dụng trong kinh tế Tuy nhiên lý thuyết tiện ích đã thu hút được nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu của khu vực mạng lưới truyền thông trong thời gian gần đây

Lý thuyết tiện ích cung cấp một phương tiện linh hoạt để đưa vào công thức hóa định lượng các mối quan hệ giữa kinh nghiệm người sử dụng và các số đo hiệu suất mạng khác Các hàm tiện ích có thể nắm bắt được mức độ hài lòng người sử dụng cho sự phân chia tài nguyên cụ thể

Luận án này sử dụng phỏng đoán để thực hiện các thuật toán DSA và APA đánh giá trong chương 3 Các thuật toán RRA tương tự được công thức hóa lại sử dụng lý thuyết tiện ích trong chương 4

2.5 Cấu trúc hệ thống

Trong luận án này, chúng ta giả định một mạng truy cập toàn IP (như được chỉ

ra trong hình 2.2) Kiến trúc hệ thống cũng phù hợp với tiêu chuẩn hiện hành của hệ thống 3GPP LTE-Advanced và IEEE Mobile WiMAX Release 2

Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống Như có thể thấy trong hình 2.2, một số trạm cơ sở tiên tiến (BS) cung cấp các dịch vụ đa phương tiện tới các MT trong vùng phủ sóng macro Các BS được kết nối với nhau để trao đổi thông tin liên quan đến điều khiển di động và phối hợp nhiễu liên tế bào Trong các mạng di động 4G, các kỹ thuật RRM được thực hiện trong các BS Các BS được liên kết trực tiếp với mạng lõi gói của các nhà điều hành

di động Mạng lõi gói có hai thành phần chính: Thực thể quản lý di động (MME) và Cổng dịch vụ (S-GW) MME có trách nhiệm theo dõi chế độ nhàn rỗi MT và thủ tục nhắn tin, quá trình kích hoạt/chấm dứt hoạt động, xác thực người dùng, bảo vệ

mã hoá/tính toàn vẹn, quản lý bảo mật, chuyển vùng… S-GW định tuyến và chuyển tiếp các gói dữ liệu người sử dụng và chuyển giao Ngoài ra, S-GW cũng quản lý và lưu trữ các thuộc tính MT, ví dụ các thông số của giao thức Internet (IP) dịch vụ truyền tải, thông tin định tuyến nội mạng…

15

Trong luận án này, chúng ta xem xét các đường xuống của OFDMA trên hệ thống tế bào sử dụng ghép kênh theo tần số (FDD) Lý do cho sự lựa chọn để nghiên cứu hướng xuống có hai lý do Thứ nhất, nó được giả định rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu thông tin di động, hầu hết truyền tải dữ liệu trong các mạng di động được truyền đi trong các liên kết chuyển tiếp Thực tế rằng, sự hình thành dữ liệu của các dịch vụ đa phương tiện như âm thanh và video, duyệt web và giao thức truyền file (FTP) là bất đối xứng rất lớn Thứ hai, công nghệ OFDMA thường được sử dụng trong đường xuống Ví dụ, hệ thống 3GPP LTE-Advanced thông qua công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang đơn (SC-FDMA) cho đường lên, bởi vì nó

có lợi thế trong việc đưa ra tỉ lệ công suất trung bình đỉnh (PAPR) thấp hơn so với trường hợp OFDMA OFDMA mang lại nhiều lợi ích cho thiết bị đầu cuối di động về hiệu suất công suất truyền tải và giá thiết bị đầu cuối Trong phần 2.6 xem xét ngắn gọn một số vấn đề và phương pháp RRM thường gặp cho đường xuống OFDMA

2.6 RRM cho đường xuống của mạng OFDMA

Vấn đề RRM cho mạng OFDMA, chúng ta quan sát hai kịch bản chính: đơn bào và đa bào Kịch bản đơn bào được đặc trưng bởi một máy phát BS và nhiều máy thu MT Trong kịch bản này, nhiễu liên tế bào không được mô hình hóa Do đó, các thước đo chất lượng người sử dụng là SNR Kịch bản đa bào đặc trưng bởi nhiều máy phát BS và nhiều máy thu MT Trong trường hợp này, thước đo chất lượng của người

sử dụng là SINR bởi vì bây giờ nhiễu liên tế bào phải được đưa vào tính toán

Hầu hết các công trình đánh giá các kịch bản đa bào có thể được phân loại trong ba phương pháp chính: tập trung, phân tán và phân cấp như được chỉ ra dưới đây:

- Tập trung: phương án RRM tập trung đặc trưng bởi hiện diện của một thực thể trung tâm như một máy chủ RRM, được kết nối với tất cả các BS và biết các thông tin trạng thái kênh (CSI) của tất cả người sử dụng trong tất cả sóng mang con khả dụng sử dụng trong hệ thống Bộ điều khiển trung tâm này có nhiệm vụ phân bổ tất cả nguồn tài nguyên hệ thống, chẳng hạn như nhóm sóng mang con, công suất và các MCS nên được sử dụng trong mỗi sóng mang con Tất nhiên, cấu trúc này không thể triển khai trong các hệ thống hiện tại vì một số lý do: thời gian và công suất kênh đường lên cần thiết để phản hồi CSI của tất cả các MT trong tất cả các sóng mang con đến bộ điều khiển trung tâm, sự nỗ lực tính toán cần thiết để tạo ra sự phân bổ nguồn tài nguyên, mào đầu tín hiệu để gửi các thông tin phân chia tới người sử dụng

- Phân tán: RRM tập trung đưa ra phân bổ kênh gần tối ưu với mào đầu tín hiệu cao, phương pháp phân tán xuất hiện như là một thay thế cho phương án tập trung Trong thuật toán RRM phân tán, không có thực thể trung tâm chịu trách nhiệm các báo cáo đo lường thu nhận hoặc phân phối nguồn tài nguyên tới các MT hoặc các

BS Ngoài ra, những quyết định RRM được thực hiện bởi các BS có thể (hoặc không thể) được hỗ trợ bởi thông tin thu được thông qua giao tiếp giữa chúng

- Phân cấp: Loại khác của các thuật toán RRM trong đó các thủ tục phân bổ được chia nhỏ trong các nhiệm vụ được thực hiện bởi các nút mạng khác nhau ở các mức phân cấp khác nhau trong hệ thống, ví dụ như một máy chủ RRM và các BS Do đặc tính này, loại thuật toán RRM này dẫn tới một sự cân nhắc lựa

16

chọn tốt giữa phương pháp tập trung và phân tán

Trong số các công trình được tìm thấy trong các tài liệu xem xét kịch bản đơn bào, hai phương pháp tối ưu hóa chính được tìm thấy [3] [4]:

- Thích ứng biên: Mục tiêu của vấn đề thích ứng biên là tối thiểu công suất phát tổng của BS trong khi vẫn đảm bảo các yêu cầu tốc độ riêng của những người sử dụng

- Thích ứng tốc độ: Mục tiêu là tối đa hàm mục tiêu dựa trên tốc độ bit tức thời tại mỗi TTI của người sử dụng, tùy theo ràng buộc công suất phát tối đa của BS

2.7 Sự cân nhắc lựa chọn cơ bản giữa hiệu suất và công bằng người sử dụng

Một vấn đề RRM cơ bản đưa ra trong luận án này: Sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng trong các mạng không dây.Truyền thông không dây được đặc trưng bởi sự khan hiếm nguồn tài nguyên Vì lý do này, sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên sẵn có trở thành bắt buộc Việc phân bổ nguồn tài nguyên có thể chia theo các tiêu chí khác nhau Ví dụ, các nguồn tài nguyên có thể được phân chia tới người sử dụng có chất lượng kênh tốt nhất Trong trường hợp này, chất lượng kênh và nhiễu thu

có thể coi là các chỉ số hiệu suất của các nguồn tài nguyên Các thuật toán RRA cơ hội

đã được nghiên cứu để tối đa hiệu suất trong việc sử dụng tài nguyên [6] Thuật ngữ

"cơ hội" có nghĩa là các nguồn tài nguyên được cấp phát động cho người sử dụng mạng

có chỉ số hiệu suất cao nhất đối với nguồn tài nguyên vô tuyến Sự cân nhắc lưa chọn giữa hiệu suất và công bằng xuất hiện khi các nguồn tài nguyên có chỉ số hiệu suất khác nhau tới những người sử dụng mạng khác nhau (sự phân tập đa người sử dụng hoặc sự phân tập đa tế bào) Việc sử dụng phân bổ nguồn tài nguyên cơ hội để nghiên cứu các sự phân tập dẫn đến sự không công bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên

Không mất tính tổng quát, chúng ta hãy xem xét trường hợp RRA cơ hội đưa vào tính toán chất lượng kênh của người sử dụng Mục tiêu của các kỹ thuật cơ hội là để phân

bổ nguồn tài nguyên nhiều hơn tới những người sử dụng có điều kiện kênh tốt hơn Điều

đó dẫn đến việc sử dụng nguồn tài nguyên và công suất hệ thống cao hơn Tuy nhiên, chiến lược cơ hội mang lại lợi ích cho người sử dụng gần BS (những người có SNR cao nhất) nhưng điều đó có thể gây ra sự thiếu tài nguyên đối với những người sử dụng với điều kiện kênh xấu Điều này dẫn đến việc phân bổ nguồn tài nguyên không công bằng Hơn nữa, trễ lâu trong lập lịch gói đến từ các kênh xấu có thể gây ra suy giảm nghiêm trọng hiệu suất hệ thống tổng cho các giao thức lớp cao hơn, chẳng hạn như TCP Tuy nhiên, các phương pháp cung cấp sự công bằng tuyệt đối bảo vệ tài nguyên cho những người sử dụng có điều kiện kênh xấu nhưng lại cản trở người sử dụng với điều kiện tốt

và làm giảm hiệu suất hệ thống Rõ ràng trong trường hợp này cần một sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất sử dụng tài nguyên và công bằng người sử dụng

Từ quan điểm điều hành mạng, sử dụng kênh hiệu quả là rất quan trọng vì các nguồn tài nguyên vô tuyến có sẵn là khan hiếm và doanh thu phải được tối đa Theo quan điểm của người sử dụng phải có một cách phân bổ nguồn tài nguyên hợp

lý Người sử dụng không phải ở trong tình trạng thiếu hụt tài nguyên hoàn toàn/ngừng hoạt động và yêu cầu QoS phải được đảm bảo Câu hỏi được đặt ra ở đây là: làm thế nào các nhà điều hành mạng có thể quản lý sự cân nhắc lựa chọn này? Luận án này cố gắng trả lời câu hỏi này và nhấn mạnh tầm quan trọng để

17

hướng tới giải quyết mục tiêu này

Để hiểu rõ hơn về sự cân nhắc lựa chọn trên, ta phải xác định thế nào là tính công bằng Có hai định nghĩa sự công bằng chính: nguồn tài nguyên hoặc QoS dựa trên [7] Quan điểm đầu tiên, sự công bằng có liên quan đến cơ hội bình đẳng để sử dụng tài nguyên mạng, ví dụ như lượng thời gian mà một MT được phép để truyền tải Quan điểm thứ hai, sự công bằng có liên quan tới sự bình đẳng tiện ích bắt nguồn từ mạng, ví dụ như thông lượng Công bằng dựa trên tài nguyên và QoS có liên quan đến các khái niệm làm thế nào để cân bằng lượng tài nguyên được phân

bổ hoặc cân bằng chất lượng dịch vụ của những người sử dụng mạng Nếu tất cả người sử dụng trong một thời điểm có cùng một nguồn tài nguyên được phân bổ hoặc nhận cùng mức QoS nhiều hơn (hoặc ít hơn) chúng ta có thể nói rằng hệ thống này cung cấp một sự công bằng cao Ngược lại, nếu các nguồn tài nguyên tập trung phân bổ tới vài người sử dụng hoặc có rất ít người sử dụng có QoS tốt, trong khi những người khác không thỏa mãn do thiếu hụt tài nguyên phân bổ thì sự phân bổ nguồn tài nguyên có thể được coi là không công bằng

Về tính công bằng dựa trên QoS, các đặc tính và yêu cầu truyền tải lưu lượng

RT khác với các lưu lượng dữ liệu NRT Dịch vụ RT (như Voice over IP (VoIP) và hội nghị video) đòi hỏi phải có độ trễ thấp và được giới hạn Trong khi các dịch vụ NRT(như World như Wide Web (WWW) và FTP) thì không nhạy cảm với trễ nhưng cần có một thông lượng cao Do những yếu tố này, trễ gói tin có thể được sử dụng như một chỉ số công bằng trong một kịch bản với các dịch vụ RT Trong khi tốc độ hoặc lưu lượng có thể được sử dụng như chỉ số công bằng trong một kịch bản với các dịch

vụ NRT

Hình 2.3 mô tả một cái nhìn khái niệm sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên

và tính công bằng dựa trên QoS người sử dụng trong một kịch bản hai người sử dụng

Hình 2.3 Sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằng

người sử dụng trong các mạng không dây

Hệ trục trên hình này đưa ra QoS trải qua của hai người sử dụng sau khi phân

bổ nguồn tài nguyên Có thể nhận thấy rằng có hai đường chính trên hình: công

ưu không thực hiện được do chất lượng kênh của người sử dụng

Để minh họa, một kịch bản được xem xét, nơi người sử dụng 1 có điều kiện kênh tốt hơn so với người sử dụng 2 Vùng 1 sẽ là kết quả của một chính sách RRA

cơ hội Đó là chính sách đưa ra tầm quan trọng của hiệu suất trong việc sử dụng tài nguyên Trong kịch bản xem xét, phần lớn các nguồn tài nguyên được phân bổ cho người sử dụng 1.Trong khi người sử dụng 2 sẽ thiếu tài nguyên (nguyên nhân gây ra tình trạng không công bằng) Mặt khác, khu vực 2 biểu thị đặc trưng một chính sách RRA cung cấp sự công bằng tuyệt đối nhưng gây ra suy giảm đáng kể về hiệu suất vì

nó phải giải quyết với các điều kiện kênh xấu của người sử dụng 2 Cuối cùng, khu vực 3 là một ví dụ về cách một chính sách RRA có thể cân bằng hai yếu tố đối lập Bảng 2.1: Các chỉ số đánh giá của sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng

Chỉ số hiệu suất Chỉ số công bằng Chương 3 Tốc độ truyền sóng mang con có thể

thực hiện được

Tốc độ dữ liệu người sử dụng tức thời

Chương 4 Tốc độ truyền sóng mang con có thể

vụ NRT Trễ gói đầu hàng cho các dịch vụ RT

Các thuật toán phân bổ tài nguyên vô tuyến (RRA) tối ưu là một trong những cách tốt nhất cho giải pháp của vấn đề này Hai thuật toán RRA được nghiên cứu trong chương này: Phân chia sóng mang con động (DSA) chịu trách nhiệm cho việc phân bổ động các tập sóng mang con cho thiết bị đầu cuối di động khác nhau (các MT) và phân bổ công suất thích ứng (APA) điều chỉnh mức công suất cho mỗi sóng mang con theo điều kiện kênh tức thời

Theo nhận xét trong phần 2.6 của chương 2, Các chiên lược RRA tối ưu cho

hệ thống OFDMA được tìm thấy trong tài liệu thường thực hiện theo hai phương pháp: thích ứng biên và thích ứng tốc độ Phương pháp thích ứng biên xây dựng phân bổ tài nguyên động với mục đích tối thiểu công suất truyền đi với một ràng buộc tốc độ cho mỗi người sử dụng [8] Phương pháp thích ứng tốc độ mục đích tối

đa tốc độ dữ liệu tức thời với ràng buộc công suất [9] [10] [11] Sự cân nhắc lựa chọn nói trên là một hệ quả rõ ràng của việc sử dụng các thuật toán RRA thích ứng tốc độ cơ hội, phương pháp về sau là nghiên cứu chính của luận án này

Chương 3 được tổ chức như sau Mục 3.2 đưa ra trạng thái kỹ thuật về quản lý

sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằng người sử dụng bằng cách

sử dụng các thuật toán thích ứng tốc độ và nêu bật những nghiên cứu mới của luận án này liên quan đến chủ đề này Các chính sách thích ứng tốc độ tổng quát có thể đối phó với những ràng buộc công bằng được nghiên cứu trong phần 3.3, trong khi các kỹ thuật RRA tương ứng để thực hiện những chính sách này được đưa ra trong phần 3.4 Tác động của các kỹ thuật RRA về sự cân nhắc lựa chọn nói trên được đánh giá bằng các

mô phỏng hệ thống trong mục 3.5 Cuối cùng, kết luận được rút ra trong phần 3.6

3.2Quản lý sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằng người dùng sử dụng sự tối ưu thích ứng tốc độ

Thỏa hiệp giữa hiệu suất và công bằng đã được mô tả khái niệm trong phần 2.7 của chương 2 Chương này mở rộng phân tích khái niệm này đưa ra trong hình 3.1, một sự mường tượng mới về sự cân nhắc lựa chọn giữa hai yếu tố đối lập trong một mạng không dây được đưa ra Luận văn này giới thiệu các khái niệm mặt phẳng, đường cong và khu vực hiệu suất-công bằng Mặt phẳng hiệu suất-công bằng được hình thành bởi hai trục: Chỉ số công bằng (FI) và chỉ số hiệu suất (EI) Mặt phẳng hiệu suất-công bằng đưa ra bất kỳ phép đo định lượng của sự công bằng giữa những người sử dụng hoặc hiệu suất trong việc sử dụng tài nguyên hệ thống Không mất tính tổng quát, chúng ta có thể giả định rằng FI và EI được giới hạn trong một phạm vi xác định bởi một giá trị tối thiểu và tối đa Đó là chỉ số công bằng Jain được nghiên cứu trong [12] được chọn trong luận án này (xem phần A.7.3 của phụ

20

lục A) và hiệu suất phổ hệ thống (công suất) tương ứng Hình 3.1 cho thấy điểm hoạt động mạng tối ưu đưa ra sự phân bổ nguồn tài nguyên với hiệu suất và sự công bằng tối đa Tuy nhiên, vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) này khó khăn để được giải quyết vì sự hạn chế số lượng nguồn tài nguyên vô tuyến khả dụng và sự biến động của kênh không dây trong miền tần số và thời gian

Bây giờ, giả sử rằng tồn tại một chính sách RRA có thể cung cấp một số điểm cân nhắc lựa chọn (giống như mô tả trong hình 3.1): công bằng thấp và hiệu suất cao (điểm 1), công bằng và hiệu suất trung bình (2 điểm) và công bằng cao và hiệu suất thấp (điểm 3) Nếu chúng ta kết nối tất cả những điểm này, chúng ta vẽ được đường cong hiệu quả-công bằng Chúng ta xác định khu vực bên dưới đường cong này là khu vực hiệu suất-công bằng

Có ba phương pháp cổ điển chính để giải quyết vấn đề tối ưu thích ứng tốc độ: tối đa tốc độ tối thiểu (MMR) [13] [11], tối đa tốc độ tổng (SRM) [9] và tối đa tốc độ tổng với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ (SRM-P) [14] [10] [15]

Tham khảo [11] là phương pháp thích ứng tốc độ đầu tiên được đề xuất, mục tiêu của [11] là tối đa tốc độ tối thiểu của người sử dụng Tác giả đã nghiên cứu một giải pháp phỏng đoán tối ưu con bao gồm sự phân chia sóng mang con và phân bổ công suất ngang bằng phân tách Đây là chính sách công bằng nhất về mặt phân phối tốc độ dữ liệu bởi vì sau khi phân bổ nguồn tài nguyên hầu hết người sử dụng

có cùng tốc độ Phương pháp MMR cũng được giải quyết bởi [13] Công trình [13] xây dựng lại vấn đề tối ưu để được giải quyết bằng các kỹ thuật lập trình số nguyên Chú ý rằng chính sách này xem xét giải quyết các trường hợp người sử dụng có điều kiện kênh xấu nhất Do đó tính công bằng người sử dụng là tối đa nhưng công suất

hệ thống tổng có thể rất thấp (xem điểm 3 trong hình 3.1)

Hình 3.1 Mặt phẳng hiệu suất-công bằng trong các mạng không dây

21

Giải pháp của vấn đề SRM đưa ra trong [9] là chính sách thích ứng tốc độ cơ hội cổ điển Giải pháp này tối đa công suất hệ thống mà không quan tâm tới vấn đề chất lượng dịch vụ (QoS) của từng người sử dụng Các sóng mang con được phân chia tới người sử dụng có chất lượng kênh cao nhất và tiếp theo công suất được phân bổ giữa các sóng mang con theo thủ tục waterfilling Phương pháp phân bổ nguồn tài nguyên này mang lại lợi ích cho những người sử dụng gần trạm cơ sở và

bỏ qua những người sử dụng với điều kiện kênh xấu Theo hình 3.1, chính sách này được đặt tại điểm 1

Vấn đề tối ưu hóa SRM-P được nghiên cứu ban đầu bởi [10] cố gắng để trở thành một giải pháp cân nhắc lựa chọn giữa công suất hệ thống và công bằng người

sử dụng Ý tưởng là xem xét cùng hàm mục tiêu như vấn đề mô tả trong [9] và thêm một ràng buộc tối ưu tốc độ tỉ lệ cho mỗi người sử dụng để điều khiển sự phân bổ tốc độ trong hệ thống Vấn đề tối ưu hóa mới này là thích hợp cho một kịch bản có các lớp dịch vụ khác nhau với các yêu cầu tốc độ tỉ lệ khác nhau Giải pháp được chia làm hai bước riêng: phân chia sóng mang con tối ưu phụ dựa trên [11] và phân

bổ công suất tối ưu

Vấn đề SRM-P được nghiên cứu thêm nữa bởi [15] tuyến tính vấn đề phân

bổ công suất để tránh giải pháp của một tập các phương trình phi tuyến (được yêu cầu bởi giải pháp được nghiên cứu trong [10])

Những đóng góp liên quan và mới nhất của luận án liên quan đến kiểm soát

sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng sử dụng phân bổ tài nguyên thích ứng tốc độ được đưa ra dưới đây:

1 Mặt phẳng, đường cong và các khu vực hiệu suất-công bằng: Đây là một công cụ đánh giá hiệu suất mạnh mẽ đưa ra một cách nhìn mới về phân tích các chiến lược RRM cho mạng không dây Các khu vực hiệu suất-công bằng tương tự như các khu vực công suất, đó là một công cụ trực quan được sử dụng rộng rãi trong việc đánh giá hiệu suất của các hệ thống tế bào

2 Khái quát của các chính sách thích ứng tốc độ cổ điển: Trong công trình nghiên cứu hiện tại, ba chính sách thích ứng công bằng/tốc độ được đưa ra[16] Các chính sách này cho phép các nhà điều hành mạng làm việc trên bất kỳ điểm cân nhắc lựa chọn nào của mặt phẳng hiệu suất-công bằng Những chính sách được nghiên cứu đưa ra này là: tối đa tốc độ tổng dựa trên sự công bằng (FSRM), tối đa tốc độ tổng với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa trên sự công bằng (FSRM-P) và tối đa tốc độ tối thiểu với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa trên sự công bằng (FMMR-P) Đó

là khái quát của các chính sách thích ứng tốc độ cổ điển SRM, SRM-P và MMR tương ứng Các chính sách nghiên cứu đưa ra được thực hiện bằng các kỹ thuật RRA bao gồm thuật toán DSA và APA

3 Quản lý sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằng người

sử dụng: Tất cả các chính sách thích ứng công bằng/tốc độ nghiên cứu [16] dựa trên khái niệm của chỉ số công bằng tế bào (dựa vào phép đo tính công bằng định lượng

22

nghiên cứu trong [12]) Các nhà điều hành mạng đặt ra một chỉ số công bằng mục tiêu và các kỹ thuật RRA sẽ phân bổ động các nguồn tài nguyên để hoạt động tại điểm trade-off mong muốn Với mô hình quản lý mạng ban đầu này, các nhà điều hành mạng sẽ có thể trả lời câu dưới đây: hiệu suất mạng có thể đạt được là bao nhiêu với ràng buộc tính công bằng 90%? Hay nói cách khác, hiệu suất có thể được đạt được là bao nhiêu với sự thỏa hiệp tính công bằng tới một mức độ nhất định?

4 Các thuật toán DSA và APA dựa trên sự công bằng: Bằng cách thức tái phân chia sóng mang con giữa những người sử dụng và tái phân bổ công suất giữa các sóng mang con, các thuật toán DSA và APA nghiên cứu có thể tăng hoặc giảm công bằng trong hệ thống theo một tiêu chí xác định bởi chính sách thích ứng công bằng/tốc độ tương ứng

3.3 Phân bổ tài nguyên thích ứng công bằng/tốc độ cho hệ thống OFDMA

Trong phần này, ba chính sách thích ứng công bằng/tốc độ nghiên cứu trong luận văn được mô tả: FSRM, FSRM-P và FMMR-P [16] Đó là những khái quát của

ba chính sách thích ứng tốc độ cổ điển tìm thấy trong các tài liệu: SRM [9], SRM-P [15] và MMR [11] Những khái quát của các chính sách cổ điển nói trên đưa vào tính toán theo cách mới để kiểm soát sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằng người sử dụng Sự kiểm soát này được áp dụng trên một chỉ số công bằng

tế bào và được xây dựng như một ràng buộc mới trong các vấn đề tối ưu hóa Các chính sách thích ứng công bằng/tốc độ nghiên cứu được mô tả trong phần 3.3.1, 3.3.2

và 3.3.3 Các chính sách thích ứng tốc độ cổ điển được mô tả chi tiết trong phụ lục B

Tất cả các chính sách nghiên cứu sử dụng một khung chung có thể được xây dựng như một vấn đề tối ưu hóa RRA, như sau:

Trong đó, J và K là tổng số các MT và các sóng mang con; ρj,k là chỉ số kết nối

có giá trị 0 hoặc 1 khi sóng mang con thứ k có được gán tới MT thứ j (hay không);

pk là công suất của sóng mang con thứ k; Ptotal là công suất truyền tải tổng của trạm gốc (BS); f(ρj,k,pk) là hàm mục tiêu chung phụ thuộc sự phân chia các sóng mang con và phân bổ công suất Φcell là chỉ số công bằng tế bào tức thời (CFI); và Φtargetcell

rõ ràng trongvấn đề tối ưu hóa của các chính sách thích ứng công bằng/tốc độ bởi ràng buộc công bằng (3.6) Ràng buộc này yêu cầu CFI tức thời Φcell phải bằng CFT

Φtarget

cell tại mỗi khoảng thời gian truyền tải (TTI) Bằng cách này, một sự kiểm soát công bằng tức thời có thể đạt được

Việc tối ưu hóa thích ứng công bằng/tốc độ (3.1)-(3.6) là một vấn đề lập trình

số nguyên nhị phân hỗn hợp, bởi vì nó liên quan đến cả các biến nhị phân ρj,k và các biến liên tục pk Vấn đề này không lồi vì ràng buộc số nguyên (3.2) làm cho bộ không lồi khả thi

Ràng buộc (3.6) là đặc tính mới so với các chính sách thích ứng tốc độ cổ điển Nó tác động sâu vào thiết kế của các kỹ thuật RRA được sử dụng để giải quyết vấn đề tối ưu hóa (3.1)-(3.6) (sẽ được đưa ra trong phần 3.4) Để hiểu rõ hơn về tầm quan trọng của ràng buộc này, chúng ta tiếp tục chi tiết trên khái niệm về chỉ số công bằng

Trong công trình này, giả định rằng các MT có thể thuộc các lớp người sử dụng khác nhau như đồng, bạc và vàng Để mô hình thực tế này, mỗi MT xem xét được liên kết với một yêu cầu tốc độ tỉ lệ λj∈[0,1] đó là một hằng số biểu thị tỉ lệ tốc

độ hệ thống tổng (λ là yêu cầu tốc độ tỉ lệ MT đòi hỏi) Để đánh giá tốc độ truyền tải MT ở gần như thế nào từ tỉ lệ tốc độ yêu cầu của nó, chỉ số công bằng người sử dụng (UFI) được định nghĩa như sau:

Trong đó Rj là tốc độ truyền tải của MT thứ j.Thông tin chi tiết về tính toán Rj

có thể được tìm thấy trong phần A.5 của phụ lục A

Để đo tính công bằng trong phân phối tốc độ giữa tất cả các MT trong OFDMA, các CFI được tính bằng:

Chỉ số này dựa trên chỉ số công bằng được nghiên cứu bởi [12] (chi tiết có thể được tìm thấy trong phần A.7.3 của phụ lục A) Trong(3.8) J là số MT trong tế bào

và φj là UFI của MT thứ j cho bởi (3.7) Chú ý rằng1/J≤Φcell≤1 Một sự phân bổ công bằng hoàn hảo được thực hiện khi Φcell=1, có nghĩa rằng tỉ lệ tốc độ truyền tải

24

tức thời được phân bổ cho tất cả MT là bằng nhau tỉ lệ với các yêu cầu λj của chúng (tất cả các UFI bằng nhau) Việc cấp phát xấu nhất xảy ra khi Φcell=1/J, có nghĩa là tất cả các nguồn tài nguyên được phân bổ tới một MT duy nhất

Vấn đề RRA chung xây dựng trong (3.1) - (3.6) được đặc tả trong các chính sách thích ứng công bằng/tốc độ khác nhau bằng cách xem xét các hàm mục tiêu khác nhau, như được đưa ra dưới đây

3.3.1 Tối đa tốc độ tổng dựa trên sự công bằng (FSRM)

Hàm mục tiêu của chính sách FSRM là tối đa hóa công suất hệ thống, như được chỉ ra dưới đây:

Trong đó γj,k là tỷ số kênh trên nhiễu (CNR) của sóng mang con thứ k đối với

MT thứ j (xem mục A.4.2 trong phụ lục A để biết thêm chi tiết)

Hàm mục tiêu (3.9) là tương tự chính sách SRM thích ứng tốc độ cổ điển [9] Trong vấn đề SRM gốc, ràng buộc (3.6) không tồn tại Vì vậy, SRM là một kênh thuần túy dựa trên chính sách cơ hội SRM là giải pháp tối đa hóa thông lượng tế bào, nhưng

nó lại rất không công bằng do nguồn tài nguyên được phân bổ tới người sử dụng với điều kiện kênh tốt hơn và các người sử dụng với điều kiện kênh xấu sẽ khan hiếm tài nguyên Nhìn vào hình 3.1, chính sách SRM cổ điển có thể được biểu diễn như điểm 1 trong mặt phẳng hiệu suất-công bằng: hiệu suất nguồn tài nguyên cao và công bằng thấp

Mặc dù hàm mục tiêu của chính sách FSRM nghiên cứu nhằm tối đa công suất nhưng ràng buộc công bằng (3.6) hoạt động như một đối trọng Điều này dẫn đến sự xuất hiện của sự cân nhắc lựa chọn FSRM cố gắng trả lời các câu hỏi sau đây: làm thế nào một mức độ công bằng nhất định có thể đạt được trong khi vẫn giữ công suất hệ thống càng cao càng tốt? Được hướng bởi tiêu chí này, chính sách FSRM có thể đạt được các mức độ công bằng khác nhau và vẽ một đường cong hiệu suất-công bằng hoàn chỉnh (xem hình 3.1)

3.3.2 Tối đa hóa tốc độ tổng với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa trên sự công

bằng (FSRM-P)

Hàm mục tiêu của chính sách FSRM-P cũng được cho bởi (3.9), điều đó có nghĩa rằng chính sách này cũng nhằm mục đích tối đa hiệu suất sử dụng các nguồn tài nguyên Tuy nhiên, chính sách này xem xét hai ràng buộc để định hình hàm mục tiêu Đầu tiên là ràng buộc công bằng cứng cho bởi (3.6) Thứ hai là ràng buộc mềm liên quan với các tỉ lệ tốc độ, như được chỉ ra trong (3.10)

Trong đó Ri và λi là tốc độ truyền tức thời và yêu cầu tốc độ tỉ lệ của một MT i chung Ràng buộc này cũng đã được nghiên cứu trong chính sách SRM-P thích ứng

25

tốc độ cổ điển [10][15] Ràng buộc mềm (3.10) định rõ chính sách FSRM-P thích ứng công bằng/tốc độ nên đảm bảo tốc độ phân bổ tới những người sử dụng theo các tỉ lệ được quy định bởi các hằng số λ Ví dụ, chúng ta có ba MT với λ1 = 1, λ2 =

2 và λ3 = 4 Nếu ràng buộc mềm (3.10) được thỏa mãn, chúng ta sẽ có R3 = 2R2 = 4R1

Biểu thức (3.10) là một ràng buộc mềm bởi vì nó không trở thành một phần chính thức của vấn đề tối ưu của chính sách FSRM-P; nó chỉ được sử dụng như một phương châm thiết kế cho kỹ thuật RRA tương ứng Ràng buộc (3.10) phần nào không phù hợp với ràng buộc công bằng cứng (3.6) Nếu các yêu cầu tốc độ tỉ lệ λ được đáp ứng một cách chính xác, chúng ta có Φcell = 1 theo (3.8) và (3.7), và do đó

Φcell không thể thích ứng với bất kỳ giá trị mong muốn nào của Φtargetcell, như yêu cầu của các ràng buộc cứng (3.6) Sau đó, vấn đề FSRM-P phải giải quyết với một kịch bản, nơi mà ràng buộc tốc độ tỉ lệ (3.10) phải được thỏa mãn từng phần để thay đổi tính công bằng và cho phép các nhà điều hành mạng kiểm soát sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằng người sử dụng Tuy nhiên, sự vi phạm tốc độ tỉ lệ có lợi cho sự biến đổi tính công bằng phải được thực hiện theo cách công suất hệ thống phải được tối đa theo yêu cầu của hàm mục tiêu FSRM-P

Do đó, chính sách FSRM-P được hướng bởi những câu hỏi dưới đây: làm thế nào một mức độ công bằng xác định có thể đạt được trong khi vẫn giữ công suất hệ thống cao nhất có thể và tốc độ người sử dụng tỉ lệ nhất có thể?

Chú ý rằng chính sách FSRM-P thích ứng công bằng/tốc độ có thể đạt được một số mục tiêu tế bào (các CFT) và bao phủ một khu vực cụ thể của mặt phẳng hiệu suất-công bằng bằng cách nới lỏng ràng buộc mềm (3.10)

3.3.3 Tối đa tốc độ tối thiểu với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa trên sự công

bằng (FMMR-P)

Khác với chính sách FSRM và FSRM-P, hàm mục tiêu của chúng nhằm tối đa tốc độ tổng trong hệ thống Hàm mục tiêu của chính sách FMMR-P thì tối đa công suất của người sử dụng tối thiểu, được mô tả toán học bởi:

Khi tối đa công suất của người sử dụng có điều kiện kênh xấu nhất, chính sách FMMR-P đảm bảo tất cả người sử dụng đạt được một tốc độ dữ liệu như nhau.Do

đó tính công bằng tối đa giữa những người sử dụng được cung cấp

Đối với chính sách này, chúng ta cũng giả định trường hợp tổng quát, nơi các

MT có các yêu cầu tốc độ tỉ lệ khác nhau theo ràng buộc mềm (3.10) Tuy nhiên, như giải thích trước đây, ràng buộc mềm (3.10) phải được thực hiện trong phạm vi cho phép bởi ràng buộc công bằng cứng (3.6)

Chính sách FMMR-P thích ứng công bằng/tốc độ là một sự tổng quát của chính sách MMR thích ứng tốc độ cổ điển ban đầu được nghiên cứu trong [11]