Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến

Các chủ đề được trình bầy trong chương Các chủ đề được trình bày trong chương này bao gồm:  Thích ứng đường truyền: điều khiển công suất và tốc độ số liệu  Lập biểu phụ thuộc kênh 

CƠ SỞ KỸ THUẬT THÔNG TIN VÔ TUYẾN

TS Nguyễn Phạm Anh Dũng

6/2013 PTIT

-LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triền nhanh chóng của công nghệ thông tin vô tuyến trong những năm qua và dự báo sự bùng phát của công nghệ này trong những năm tới sẽ dẫn tới sự thiếu hụt nguồn nhân lực có trình độ và kinh nghiệm cao trong lĩnh vực này Các trường đại học trên thế giới đã và đang nghiên cứu nhiều chương trình và biện pháp để có thể đào tạo các chuyên gia và các kỹ sư vô tuyến có trình độ cao Môn học "cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến" là một trong

số các môn học liên quan đến lĩnh vực công nghệ vô tuyến được giảng dậy tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Mục đích cuả môn học này là cung cấp các kiến thức cơ sở về kỹ thuật thông tin vô tuyến để sinh viên có thể học được các môn tiếp theo của công nghệ vô tuyến như: Đa truy nhập, Thông tin

di động, và các chuyên đề tự chọn

Tài liệu này được chia thành 11 chương với bố cục hợp lý cùng với nhiều bài tập và đáp án cụ thể cho từng bài tập để sinh viên có thể tự học Bốn chương đầu của cuốn sách đề cập đến các kiến thức cơ bản nhất của hệ thống thông tin số Chương 5 trình bày xử lý kênh vật lý và mã hóa kênh trong hệ thống thông tin di động Chương 6 trình bày thiết bị vi ba số Chương 7 trình bày các vấn đề liên quan đến quy hoạch tần số và cấu hình hệ thống truyền dẫn

số Chương 8 đề cập đến phân tích và tính toán đường truyền vi ba số Chương

9 đề cập đến thách thức đối với truyền dẫn tốc độ số liệu cao trong các hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng Chương 10 nghiên cứu các kỹ thuật đa anten sử dụng trong các hệ thống thông tin di động Chương 11 trình kỹ thuật lập biểu và thích ứng đường truyền sử dụng cho các hệ thống thông tin di động Mỗi chương đều có phần giới thiệu chung, nội dung, tổng kết, câu hỏi và bài tập Cuối tài liệu là hướng dẫn trả lời và đáp án cho các bài tập

Tài liệu này được biên soạn trên cơ sở sinh viên đã học các môn như: Anten và truyền sóng, và các môn cơ sở liên quan PTIT

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG 7

1.2 Vai trò của truyền dẫn vô tưyến trong mạng viễn thông 8

1.3 Sơ đồ khối của hệ thống thông tin vô tuyến số 11

1.5 Các biện pháp khắc phục các nhựơc điểm để nâng cao hiệu 14

năng hệ thống thông tin vô tuyến

2.3 Hàm tự tương quan và mật độ phổ công suất 20

2.7 Ảnh hưởng của hạn chế băng thông và định lý Nyquist 27

2.8 Ảnh hưởng của các đặc tính đường truyền 30

3.5 Đáp ứng của các bộ tương quan lên tạp âm 48

3.13 M-PSK 78

3.14 Điều chế QAM nhiều trạng thái (M-QAM) nhất quán 82

3.17 Mật độ phổ công suất của các tín hiệu được điều chế 92

3.18 So sánh hiệu năng của các kỹ thuật điều chế 96

HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SỐ

Chương 5 XỬ LÝ KÊNH VẬT LÝ VÀ MÃ HÓA KIỂM SOÁT 162 LỖI TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

5.2 Tổng quan sơ đồ xử lý kênh vật lý và mã hóa kiểm soát lỗi 162

5.3 Xử lý kênh vật lý và mã hóa kiểm soát lỗi trong 170

3G WCDMA/HSPA

5.4 Xử lý kênh vật lý và mã hóa kiểm soát lỗi trong 4G LTE 175

5.5 Xử lý kênh vật lý và mã hóa kiểm soát lỗi trong 3G cdma2000 196

PTIT

Chương 7 QUY HOẠCH TẦN SỐ VÀ CẤU HÌNH HỆ THỐNG 235 TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỐ

7.3 Cấu hình hệ thống truyền dẫn vô tuyến số 240

8.5 Tính toán đường truyền vô tuyến số mặt đất 271

8.7 Câu hỏi và bài tập

Chương 9 Các thách thức truyền dẫn tốc độ cao trong các hệ 274

thống thông tin vô tuyến băng rộng

9.3 Các hạn chế cơ bản đối với các hệ thống thông tin 288

vô tuyến tốc độ số liệu cao

9.4 Truyền dẫn vô tuyến tốc độ số liệu cao trong băng thông 293

PTIT

Chương 10 KỸ THUÂT ĐA ANTEN 304

10.2 Các lợi ích của việc sử dụng đa anten và các vấn đề 305

10.8 Ghép kênh không gian SU-MIMO vòng kín trong LTE 344

10.10 Tiền mã hóa dựa trên phân tập trễ vòng 351

10.9 Ghép kênh không gian SU-MIMO vòng hở trong LTE 354

10.13 Báo hiệu phản hồi đường lên trong LTE 384

Chương 11 LẬP BIỂU VÀ THÍCH ỨNG ĐƯỜNG TRUYỀN 399

11.3 Tổng quan các chién lược ấn định tài nguyên 402

11.4 Các chiến lược lập biểu phụ thuộc kênh 407

PHỤ LỤC 2 CÁC HÀM TÍN HIỆU VÀ BIẾN ĐỔI FOURIER 478

PTIT

Chương 11 LẬP BIỂU VÀ THÍCH ỨNG ĐƯỜNG TRUYỀN

11.1 GIỚI THIỆU CHUNG

11.1.1 Các chủ đề được trình bầy trong chương

Các chủ đề được trình bày trong chương này bao gồm:

 Thích ứng đường truyền: điều khiển công suất và tốc độ số liệu

 Lập biểu phụ thuộc kênh

 Các sơ đồ phát lại tiên tiến

 Yêu cầu phát lại tự động lai ghép với kết hợp mềm

11.1.2 Hướng dẫn

Để hiểu được chương này sinh viên cần đọc kỹ tư liệu được trình bày trong

chương, tham khảo thêm các tài liệu [17], [18], [19], [20], [21], [22] và trả lời các câu hỏi cuối chương

11.1.3 Mục đích chương

Mục đích chương nhằm cung cấp cho sinh viên các kiến thức chung về các

kỹ thuật thay đổi tức thời cấu hình kênh truyền dẫn vô tuyến phụ thuộc vào chất lượng đường truyền để đạt được dung lượng truyền dẫn cao nhất

PTIT

11.2 MỞ ĐẦU

Một trong các đặc tính quan trọng của thông tin vô tuyến di động là sự thay đổi nhanh và lớn của các điều kiện kênh tức thời Tồn tại một số nguyên nhân đối với các thay đổi này Phađinh chọn lọc tần số dẫn đến các thay đổi nhanh và ngẫu nhiên đối với suy hao đường truyền Phađinh che tối và tổn hao đường truyền phụ thuộc khoảng cách cũng ảnh hưởng đáng kể lên cường độ tín hiệu thu Cuối cùng, nhiễu tại máy thu do truyền dẫn từ các ô khác và các đầu cuối di động khác cũng ảnh hưởng lên mức nhiễu Tóm lại có nhiều thay đổi nhanh và ngẫu nhiên trong chất lượng của từng đường truyền vô tuyến trong một ô và các thay đổi này cần được xem xét cũng như khai thác một cách có lợi

Tại tốc độ MS thấp, BTS có thể theo rõi được sự thay đổi kênh và các thay đổi kênh nhanh do pha đinh Rayleigh có thể được sử dụng một các có lợi Để chuẩn bị cho các cuộc truyền dẫn trên đường xuống, các MS phản hồi thông tin về chất lượng kênh cho BTS BTS sử dụng một bộ lập biểu nhạy cảm chất lượng kênh để phục vụ MS kịp thời các tài nguyên tần số và không gian khi MS trải nghiệm điều kiện kênh tốt nhất và nhờ vậy cải thiện dung lượng cũng như thông lượng hệ thống Tuy nhiên khi khai thác lập biểu nhậy cảm (hay phụ thuộc) kênh hay còn gọi là phân tập đa người sử dụng, việc sử dụng các dạng phân tập khác như phân tập phát sẽ giảm hiệu năng Lý do vì phân tập đa người sử dụng dựa trên sự thay đổi lớn các điều kiện kênh, trong khi phân tập phát lại trung bình hóa các thay đổi kênh này

Khi bộ lập biểu phụ thuộc kênh chọn lựa một người sử dụng đang trải nghiệm điều kiện kênh tốt tại một thời điểm cho trước, các tài nguyên tần số, thời gian và thích ứng đường truyền được sử dụng để thích ứng truyền dẫn khuôn dạng truyền dẫn như: sơ đồ mã hóa và điều chế (MCS: Modulation and Coding Scheme), bậc MIMO và tiền mã hóa với điều kiện kênh hiện thời trong hoảng thời gian được ấn định Cả lập biểu kênh và thích ứng đường truyền đều dựa trên tính khả dụng của thông tin về chất lượng kênh tại BTS BTS nhận được thông tin này hoặc từ các tín hiệu tham chuẩn được phát trên đường lên trong hệ thống TDD hoặc các MS có thể cung cấp thông tin phản hồi về kênh đường xuống cho BTS trong hệ thống FDD Trong điều kiện thực tế, không thể đảm bảo chính xác thông

PTIT

tin kênh vì một số nguyên nhân như: sai lỗi khi đo và đánh giá chất lượng kênh, sai lỗi do trễ phản hỗi chất lượng kênh, các thay đổi do nhiễu và các sai lỗi khi truyền dẫn thông tin chất lượng kênh

Lập biểu phụ thuộc kênh trong các hệ thống thông tin di động giải quyết vấn đề về cách thức chia sẻ các tài nguyên vô tuyến giữa các người sử dụng (các đầu cuối di di động) khác nhau trong hệ thống để đạt được hiệu suất sử dụng tài nguyên tốt nhất Điều này có nghĩa là giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho một người sử dụng vì thế cho phép nhiều người sử dụng hơn trong hệ thống trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu chất lượng dịch vụ Liên quan mật thiết với lập biểu là thích ứng đường truyền Thích ứng đường truyền giải quyết vấn đề liên quan đến cách thiết lập các thông số truyền dẫn của đường truyền vô tuyến để xử

lý các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến

Cả hai lập biểu phu thuộc kênh và thích ứng đường truyền đều nhằm khai thác tốt nhất các thay đổi kênh thông qua các quá trình xử lý thích hợp trước khi truyền dẫn số liệu Tuy nhiên do tính chất ngẫu nhiên của các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến, không bao giờ có thể đạt được thích ứng chất lượng kênh

vô tuyến tức thời một cách hoàn hảo HARQ (Hybrid Automatic Reapeat Request: yêu cầu phát lại tự động lai ghép) vì thế rất hữu ích HARQ đòi hỏi phát lại các gói thu bị lỗi Có thể coi đây như là một cơ chế xử lý chất lượng kênh vô tuyến tức thời sau truyền dẫn và bổ sung rất tốt cho lập biểu phụ thuộc chất lượng kênh và thích ứng đường truyền HARQ cũng phục vụ cho việc xử lý các lỗi ngẫu nhiên do tạp âm trong máy thu Quan hệ giữa lập biểu, thích ứng đường truyền và yêu cầu phát lại tự động lai ghép (HARQ) được trình bày trên hình 11.1 Lập biểu nhạy cảm kênh, thích ứng đường truyền và HARQ là các bộ phận không tách rời của tất cả các hệ thống thông tin di động tổ ong hiện đại do lợi ích tiềm tàng mà chúng đem lại trong các môi trường pha đinh nhanh Trong chương này ta sẽ xét cụ thể các kỹ thuật này

PTIT

Chọn lựa người sử dụng đang trải nghiệm các điều kiện kênh tốt tại một thời điểm để ấn định các tài nguyên thời

gian và tần số

Thích ứng khuôn dạng MCS và MIMO với điều kiện kênh trên cơ sở tài nguyên tần số và thời gian được cấp phát tại

thời điểm được ấn định

Phục hồi tín hiệu từ các lổi truyền dẫn

do thích ứng đường truyền không chính

11.3 TỔNG QUAN CÁC CHIẾN LƢỢC ẤN ĐỊNH TÀI NGUYÊN

Chức năng tổng quát của bộ lập biểu ấn định tài nguyên được mô tả trên hình 11.2

Chức năng tổng quát của bộ lập biểu tài nguyên là lập biểu truyền số liệu cho một tập các MS chia sẻ các tài nguyên vật lý Tổng quát, các giải thuật lập biểu có thể sử dụng hai kiểu thông tin kết quả đo để đưa ra các quyết định lập

PTIT

biều: thông tin về trạng thái kênh và các kết quả đo tải lưu lượng (khối lượng và sự

ưu tiên) Các thông tin này hoặc nhận được hoặc trực tiếp tại BTS hoặc từ kênh báo hiệu phản hồi hoặc kết hợp cả hai Cần cân nhắc cận thận khối lượng phản hồi,

vì thông tin lưu lượng và trạng thái kênh chính xác cho phép đạt được tốc độ số liệu cực đại nhưng với chi phí băng thông cao hơn Việc cân nhắc này cần thực hiện chung cho tất cả các sơ đồ lập biểu tài nguyên dựa trên phản hồi thông tin, nhưng nó đặc biệt quan trọng trong khai thác FDD vì tại đây không thể sử dụng tính đảo nhau của kênh vô tuyến Đối với các hệ thống TDD, có thể sự tương quan biên độ giữa các kênh đường lên và đường xuống cho giải thuật lập biểu

PTIT

Hàng đợi số

liệu DL cho

MS0

Hàng đợi số liệu DL cho MS1

Hàng đợi số liệu DL cho

MS K-1

Chức năng lập biểu

Thông tin chất lượng kênh

Thông tin tải lưu lượng đối với truyền dẫn UL

Các sơ đồ điều chế và

mã hóa khác nhau có thể được sử dụng cho các khối tài nguyên được ấn định khác nhau

Thông tin trạng thái hàng đợi DL từ lớp

điều khiển tài nguyên vô tuyến

DL: Downlink: đường xuống là đường phát từ BTS đến MS

UL: Uplink: đường lên là đường phát từ MS đến BTS

Hình 11.2 Tổng quan bộ lập biểu tài nguyên băng rộng

Cũng cần lưu ý rằng giải thuật được sử dụng bởi bộ lập biểu tài nguyên cũng liên kết chặt chẽ với sơ đồ điều chế, mã hóa thích ứng và giao thức phát lại (HARQ) Lý do trước hết vì ngoài việc ấn định tài nguyên vật lý động, các kết quả

đo kênh cũng được sử dụng để thích ứng khuôn dạng điều chế và mã hóa (hiệu

PTIT

suất phổ tần truyền dẫn) Thứ hai tính động của hàng đợi ảnh hưởng lên thông lượng và trễ đường truyền (nhìn từ góc độ ứng dụng) lại phụ thuộc rất lớn vào giao thức HARQ và các kích thước của khối truyền tải Ngoài ra việc kết hợp ma xhóa kênh và phát lại (HARQ) tăng hiệu suất sử dụng phổ tần Các giải thuật lập biểu được thiết kế tốt vải xét đến tất cả các khía cạnh nói trên

Dựa trên thông tin đo lường khả dụng, bộ lập biểu tài nguyên của BTS phải

xử lý được các yêu cầu khác nhau của tất cả các MS trong ô mà nó điều hành để đảm bảo đủ tài nguyên truyền dẫn ấn định đến từng MS trong khoảng thời gian trễ cho phép nhằm đáp ứng các yêu cầu chất lượng dịch vu (QoS) theo cách sự dụng hiệu quả phổ tần Thông thường các chi tiết về quá trình xử lý này không được chuẩn hóa vì thế các nhà sản xuất BTS có thể phát triển các giải thuật riêng để phù hợp với các kịch bản đặc thù của các nhà khai thác mạng Tuy nhiên các số liệu đầu vào cần thiết cho xử lý lập biều tài nguyên được quy định chung

Tồn tại hai tháí cực của giải thuật lạp biểu là: lập biều theo cơ hội và lập biểu công bằng Loại thứ nhất thừơng được thiết kế để đạt được cực đại tổng tốc

độ truyền dẫn đến tất cả các người sử dụng bằng cách khai thác thực tế là các người sử dụng khác nhau trải nghiệm các độ lợi kênh khác nhau và vì thế trải nghiệm các điều kiện kênh tốt tại các thời điểm và các tần số khác nhau

Đặc trưng cơ bản của các kênh vô tuyến di động là ảnh hưởng của pha đinh gây ra do sự di động của MS trong môi trường truyền sóng đa đường và do sư thay đổi của bản thân môi trường Các nghiên cứu cho thấy rằng trong một hệ thống đa người sử dụng, có thể truyền được nhiều thông tin hơn trên kênh pha đinh so với trên kênh không pha đinh đối với cùng công suất tín hiệu trung bình tại máy thu Nguyên tắc này được gọi là phân tập đa người sử dụng Bằng cách lập biểu động thích hợp: tại từng thời điểm chỉ ấn định kênh cho người sử dụng có điều kiện kênh tốt nhất trong phần phổ cụ thể hệ thống có thể tăng đáng kể tổng thông lựơng khi số lượng người sử dụng lớn Nhìn chung kết quả này dựa trên việc có thể thích ứng động công suất theo trạng thái kênh và nó cũng cho thấy rằng có thể đạt được các độ lợi hiệu năng lớn hơn băng cách “bật-tắt” ấn định công suất giữa các khối tài nguyên Điều này không chỉ cho phép đơn giản hóa giải thuật lập biểu mà còn phù hợp với kịch bản đường xuống trong đó dải động công suất phát trong không gian tần số thời gian trong một khung con bị giới hạn vì dải động của các

PTIT

máy thu MS và sự cần thiết phát các tín hiệu tham chuẩn băng rộng để đánh giá kênh

Vấn đề chính phát sinh từ các sơ đồ ấn định tài nguyên theo cơ hội là việc khó đảm bảo tính công bằng và QoS Số liệu của người sử dụng không thể luôn luôn phải đợi đến các điều kiện kênh đủ thuận tiện cho truyền dẫn, nhất là trong các kênh thay đổi chậm Ngoài ra điêu quan trọng là nhà khai thác phải cung cấp vùng phủ tin cậy rộng không chỉ cho các người sử dụng có điều kiện kênh tốt ở gần BTS mà cả cho các người sử dụng ít chuyển động tại biên ô

Vì thế thái cực thứ hai của giải thuật lập biểu (lập biểu công bằng) chú trọng trễ đối với từng người sử dụng hơn so với tốc độ số liệu hệ thổng đạt được Điều này đặc biệt quan trọng đối với các ứng dụng thời gian thực như VoIP (Voice-over-IP: thoại trên IP) hay hội nghị truyền hình trong đó cần đảm bảo tốc

độ tối thiểu độc lập với trạng thái kênh

Trong thực tế, hầu hết các giải thuật lập biểu đều rơi vào giữa hai thái cực nói trên và đều chứa đựng các các phần tử cung cấp hỗn hợp QoS yêu cầu Khi xét mức độ công bằng do một giải thuật cung cấp, một số đo dựa trên hàm phân bố mật độ tích lũy (CDF Comulative Distribution Function) thông lượng của tất cả các người sử dụng được sử dụng, Một thí dụ điển hình cần là đảm bảo rằng CDF thông lượng phải nằm bên phải một đường cong quy định như vẽ trên hình 11.3 Mục tiêu của số đo này là để tránh phạt nặng đối với các người sử dụng biên ô để trao thông lượng cao cho các người sử dụng có các điều kiện kênh tốt Cũng cần xét đến các yếu tố khác, nhất là thực tế rằng trong triển khai kết hợp, không thể coi các ô cá lẻ là cách ly – thậm chí cả khi các ô này được điều khiển bởi BTS đơn Các BTS này phải xét đến nhiễu tạo bởi các ô đồng kênh (nhiễu này có thể là một nhân tố giới hạn khắt khe) nhất là đối với các người sử dụng biên ô Tương tự, hiệu năng của toàn bộ hệ thống có thể được tăng cừơng nếu mỗi BTS đều xét đến ảnh hưởng phát của chính ô của mình lên các ô lân cận PTIT

Hình 11.3 Thí dụ về số đo dựa trên CDF thông lượng trên tất cả các người sử dụng để đánh giá bộ lập biểu công bằng (số đo 10-50)

11.4 CÁC CHIẾN LƯỢC LẬP BIỂU PHỤ THUỘC KÊNH

Lập biểu phụ thuộc kênh điều khiển việc ấn định các tài nguyên chia sẻ giữa các người sử dụng tại từng thời điểm Nó liên quan mật thiết với thích ứng đường truyền và thường thì lập biểu và thích ứng đường truyền được coi như là một chức năng liên kết Nguyên lý lập biểu cũng như việc chia sẻ các tài nguyên giữa các người sử dụng, ít nhất về mặt lý thuyết, phụ thuộc vào các đặc tính của giao diện vô tuyến, vào việc đường truyền là đường lên hay đường xuống và vào việc truyền dẫn của các người sử dụng khác nhau có trực giao hay không

PTIT

11.4.1 Lập biểu đường xuống

Trên đường xuống, thông trường truyền dẫn đến các đầu cuối di động khác nhau trực giao với nhau, nghĩa là về lý thuyết, không xẩy ra nhiễu giữa các truyền dẫn (không có nhiễu nội ô) Trực giao nội ô đường xuống có thể đạt được trong miền thời gian bằng TDM (ghép kênh phân chia theo thời gian); trong miền tần số bằng FDM (ghép kênh phân chia theo tần số), trong miền mã bằng CDM (ghép kênh phân chia theo mã) Ngoài ra miền không gian cũng có thể được sử dụng để phân tách các người sử dụng bằng cách sắp xếp các anten Cách này thường được gọi là ghép kênh không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing), mặc dù trong nhiều trường hợp nó được sử dụng kết hợp với một hay một số trong số các phương pháp ghép kênh nói trên

Đối với số liệu gói, trong đó lưu lượng thường mang tính cụm (lưu lượng được phát không liên tục mà theo từng cụm), về lý thuyết có thể chỉ ra rằng TDM

là thích hợp hơn cả và vì thế thông thường đây là phần tử chính trên đường xuống Tuy nhiên TDM thường được kết hợp với việc chia sẻ tài nguyên vô tuyến trong miền tần số (FDM) hoặc trong miền mã (CDM) Chẳng hạn trong trường hợp HSDPA của 3G, ghép kênh đường xuống là kết hợp TDM và CDM Trái lại trong các hệ thống sau 3G như LTE, ghép kênh đường xuống là kết hợp TDM và FDM

Lý do chia sẻ tài nguyên không chỉ được thực hiện trong một mình miền thời gian

sẽ được xét muộn hơn trong phần này

Khi xẩy ra truyền dẫn đồng thời đến các người sử dụng khác nhau hoặc bằng FDM hoặc bằng CDM, cũng xẩy ra việc chia sẻ toàn bộ công suất phát của ô Nói một cách khác, không chỉ có các tài nguyên thời gian/tần số/mã được chia sẻ

mà còn cả tài nguyên công suất trong trạm gốc Trái lại trong trường hợp chỉ chia

sẻ tài nguyên thời gian, sẽ chỉ có một truyền dẫn tại một thời điểm và vì thế sẽ không xẩy ra chia sẻ tức thời tổng công suất phát khả dụng của ô

Trong phân tích dưới đây, ta giả thiết rằng lúc đầu đường xuống sử dụng TDM với lập biểu cho một người sử dụng tại một thời điểm Trong trường hợp này, mức độ sử dụng kênh vô tuyến sẽ cực đại nếu tại một thời điểm, toàn bộ tài nguyên sẽ được ấn định cho người sử dụng này với điều kiện kênh tức thời tốt nhất:

PTIT

 Trong trường hợp thích ứng đường truyền dựa trên điều khiển công suất, điều này có nghĩa là đối với tốc độ số liệu cho trước công suất phát có thể thấp nhất và vì thế giảm thiểu nhiễu truyền dẫn đến các ô khác khi mức độ

sử dụng đường truyền cho trước

 Trong trường hợp thích ứng đường truyền dựa trên điều khiển tốc độ, điều này có nghĩa là đối với công suất phát cho trước, hay nói một cách khác đối với nhiễu đến các ô khác cho trước, mức độ sử dụng đường truyền đạt được cao nhất

Tuy nhiên, nếu áp dụng cho đường xuống, điều khiển công suất phát kết hợp với lập biểu TDM có nghĩa là toàn bộ công suất phát khả dụng trong hầu hết các trường hợp sẽ không được sử dụng hết Chính vì lý do này điều khiển tốc độ được

ưa dùng hơn

Chiến lược được phác thảo ở trên là một thí dụ về lập biểu phụ thuộc kênh trong đó bộ lập biểu xét các điều kiện đường truyền vô tuyến tức thời Lập biểu người sử dụng theo các điều kiện đường truyền vô tuyến tức thời tốt nhất thường được gọi là lập biểu tỷ số tín hiệu trên nhiễu cực đại (max-C/I) hay tốc độ cực đại

Vì trong một ô, các điều kiện của các đường truyền vô tuyến khác nhau thường thay đổi độc lập, tại mỗi thời điểm hầu như luôn có một đường truyền vô tuyến với chất lượng gần như cực đại (hình 11.4) Vì thế kênh được sử dụng cho truyền dẫn

sẽ có chất lượng cao nhất và với điều khiển tốc độ, tốc độ số liệu cao nhất có thể được sử dụng Điều này dẫn đến dung lượng hệ thống cao Như đã nói ở trên phương pháp để nhận được độ lợi trong đó truyền dẫn được thực hiện đối với các người sử dụng có điều kiện đường truyền vô tuyến thuận lợi thường được gọi là phân tập người sử dụng; thay đổi kênh càng lớn và số người sử dụng càng lớn thì

độ lợi càng lớn Vì thế trái ngược với quan điểm truyền thống rằng pha đinh nhanh (nghĩa là thay đổi chất lương kênh vô tuyến nhanh) gây ảnh hưởng tiêu cực và cần phải chống, trong thực tế với lập biểu kênh phađinh lại có lợi và cần khai thác nó

PTIT

Hình 11.4 Lập biểu phụ thuộc kênh

Về mặt toán học, bộ lập biểu max-C/I (tốc độ cực đại) có thể được biểu diễn như là quá trình lập biểu người sử dụng k như sau:

iarg max i

Trong đó Ri là tốc độ số liệu tức thời cực đại (có thể đạt được) đối với người sử dụng i Mặc dù từ quan điểm dung lượng hệ thống, lập biểu max- C/I là có lợi, tuy nhiên nguyên lý lập biểu này không công bằng trong tất cả các điều kiện Nếu tất

cả các đầu cuối đều rải nghiệm thay đổi đổi kênh như nhau và các thay đổi lớn trong các điều kiện kênh tức thời chỉ xẩy ra do phađinh nhanh, chỉ khi này các người sử dụng mới nhận được tốc độ số liệu trung bình như nhau Thông thường người sử dụng không thể nhận biết được các thay đổi tốc độ tức thời và nhanh Tuy nhiên trong thực tế các đầu cuối di động sẽ trải nghiệm cả các khác biệt trong các điều kiện kênh trung bình (ngắn hạn) chẳng hạn do khoảng cách khác nhau và

do phađinh che tối giữa trạm gốc và đầu cuối di động Trong trường hợp này các điều kiện kênh mà một đầu cuối di động phải trải nghiệm (trong một thời gian dài)

có thể tồi hơn các điều kiện kênh mà các đầu cuối khác phải trải nghiệm Vì thế chiến lược max-C/I thuần túy có thể làm “chết đói” đầu cuối di động có các điều kiện kênh tồi, và đầu cuối có các điều kênh kênh tồi này sẽ không bao giờ được lập biểu Điều này được minh họa trên hình 11.5a, trong đó bộ lập biểu max-C/I được sử dụng để lập biểu giữa hai người sử dụng khác nhau có chất lượng kênh trung bình khác nhau Hầu như toàn bộ thời gian chỉ có một người sử dụng được

PTIT

lập biểu Mặc dù cho phép nhận được dung lượng hệ thống cao, nhưng tình trạng này không thể chấp nhận được từ quan điểm chất lượng dịch vụ

Một giải pháp khác cho chiến lược lập biểu max-C/I được gọi là lập biểu quay vòng (Robin) được mô tả trên hình 11.5b Chiến lược lập biểu này cho phép các người sử dụng chia sẻ tài nguyên mà không xét đến các điều kiện kênh tức thời Lập biểu quay vòng có thể được coi là lập biểu công bằng trong đó khối lượng tài nguyên như nhau (khoảng thời gian như nhau) được phân cho mọi đường truyền thông tin Tuy nhiên lập biểu quay vòng không công bằng về mặt đảm bảo chất lượng kênh giống nhau cho tất cả các đường truyền tin Trong trường hợp này cần dành nhiều tài nguyên vô tuyến (thời gian) hơn cho các đường truyền tin có điều kiện kênh tồi hơn Ngoài ra lập biểu quay vòng không xét đến đế các điều kiện kênh tức thời trong quá trình lập biểu và điều này dẫn đến tổng hiệu năng hệ thống thấp hơn nhưng chất lượng dịch vụ giữa các đường truyền tin khác nhau cân bằng hơn so với lập biểu max-C/I

PTIT

 Thay đổi nhanh chất lượng dịch vụ tương ứng với, chẳng hạn, phađinh đa đường nhanh hay thay đổi nhanh mức nhiễu Đối với nhiều ứng dụng số liệu gói, các thay đổi ngắn hạn khá lớn của chất lượng dịch vụ thường có thể chấp nhận hoặc thậm chí không phát hiện được đối với người sử dụng

 Các khác biệt dài hạn trong chất lượng dịch vụ giữa các đường truyền tin khác nhau tương ứng với, chẳng hạn, các khác nhau về khoảng cách đến trạm gốc và phađinh che tối Trong nhiều trường hợp cần hạn chế các khác biệt này trong chất lượng dịch vụ

Vì thế một bộ lập biểu thực tế phải làm việc tại một vị trí nào đó giữa bộ lập biểu max-C/I và bộ lập biểu quay vòng để tận dụng nhiều nhất các thay đổi nhau trong các điều kiện kênh mà vẫn thỏa mãn ở một mức độ nào đó sự công bằng giữa các người sử dụng

Một thí dụ về bộ lập biểu kiểu này là bộ lập biểu công bằng tỷ lệ (PF: Propotional Fairness) được minh họa trên hình 11.5c Trong chiến lược này, các tài nguyên chia sẻ được ấn định cho người sử dụng có điều kiện kênh vô tuyến tốt nhất một cách tương đối, nghĩa là tại mỗi thời điểm, người sử dụng k được chọn cho truyền dẫn theo điều kiện sau:

iarg max i

i

R k

R

Trong đó Ri là tốc độ số liệu tức thời đối người sử dụng i và R i là tốc độ số liệu trung bình đối với người sử dụng i Tốc độ trung bình được tính trên một chu kỳ lấy trung bình cho trước TPF Để đảm bảo việc sử dụng hiệu quả các thay đổi kênh ngắn hạn và đồng thời giới hạn các khác biệt dài hạn đến một mức chấp nhận, hằng số thời gian TPF phải được đặt lớn hơn hằng số thời gian đối với các thay đổi ngắn hạn Đồng thời TPF phải đủ ngắn để các thay đổi chất lượng dịch vụ trong khoảng TPF không bị người sử dụng nhận quá rõ Thông thường TPF có thể được đặt vài giây

Trong các phân tích trên, ta giả thiết là các tài nguyên vô tuyến trên đường xuống được ấn định cho một người sử dụng tại một thời điểm, nghĩa là quá trình lập biểu chỉ được thực hiện thuần túy trong miền thời gian bằng cách sử dụng

PTIT

TDM Tuy nhiên trong một số trường hợp, TDM được kết hợp với CDM và FDM

Về nguyên tắc, có hai lý do để không chỉ sử dụng một mình TDM cho đường xuống:

 Trong trường hợp không đủ tải, nghĩa là khối lượng số liệu cần truyền đến một người sử dụng không đủ lớn để tận dụng toàn bộ dung lượng kênh và một phần tài nguyên có thể ấn định cho người sử dụng khác hoặc bằng CDM hoặc bằng FDM

 Trong trường hợp các thay đổi kênh trong miền tần số được khai thác bằng cách sử dụng FDM mà ta sẽ xét dưới đây

Các chiến lược lập biểu trong các trường hợp này có thể được coi là tổng quát hóa của các sơ đồ đã xét cho các trường hợp chỉ sử dụng TDM Chẳng hạn,

để xử lý các tải tin nhỏ, có thể sử dụng phương pháp “làm no sự thèm ăn”, trong

đó người sử dụng được lập biểu được chọn theo max-C/I (hay một sơ đồ lập biểu khác bất kỳ) Sau khi người sử dụng này đã được ấn đinh tài nguyên phù hợp với khối lượng số liệu đang đợi truyền dẫn, người sử dụng tốt nhất thứ hai được chọn (theo chiến lược lập biểu này) và được ấn định (một phần) tài nguyên dư và cứ tiếp tục như vậy

Cuối cùng cũng cần lưu ý rằng thông thường giải thuật lập biểu là vấn đề của việc thực hiện trạm gốc chứ không phải là vấn đề được đặc tả trong mọi tiêu chuẩn Điều cần được đặc tả trong tiêu chuẩn để hỗ trợ lập biểu phụ thuộc kênh là

đo đạc/báo cáo chất lượng kênh và báo hiệu cần thiết cho việc cấp phát tài nguyên động

11.4.2 Lập biểu đường lên

Phần trước đã xem xét quá trình lập biểu liên quan đến đường xuống Tuy nhiên lập biểu cũng được áp dụng cho các truyền dẫn đường lên và phần lớn các nguyên lý xét ở trên cũng có thể sử dụng cho đường lên mặc dù có một số điểm khác biệt giữa hai đường này

Về cơ bản, tài nguyên công suất đường lên được phân bố giữa các người sử dụng, trong khi trên đường xuống tài nguyên công suất được tập trung tại trạm

PTIT

gốc Ngoài ra, công suất truyền dẫn cực đại đường lên của một đầu cuối thường thấp hơn nhiều so với công suất phát ra của trạm gốc Điều này ảnh hưởng đáng kể lên chiến lược lập biểu Không giống như đường xuống trong đó TDMA thuần túy thường được sử dụng, lập biểu đường lên thường dựa trên việc chia sẻ trong miền tần số và (hoặc) miền mã kết hợp với miền thời gian vì một đầu cuối không thể có

đủ công suất để tận dụng hiệu quả dung lượng đường truyền

Tương tự như trường hợp đường xuống, lập biểu phụ thuộc kênh cũng có lợi trong trường hợp đường lên Tuy nhiên các đặc tính của giao diện vô tuyến được xét liên quan nhiều đến việc đường lên dựa trên đa truy nhập trực giao hay không trực giao và kiểu sơ đồ thích ứng đường truyền được sử dụng, ngoài ra cũng ảnh hưởng đáng kể lên chiến lược lập biểu đường lên

Trong trường hợp sơ đồ đa truy nhập không trực giao như CDMA, điều khiển công suất thường đóng vai trò quan trọng cho hoạt động bình thường Như

đã xét ở trên, mục đích của điều khiển công suất là để điều khiển Eb/N0 thu để có thể phục hồi được thông tin thu Tuy nhiên trong các sơ đồ không trực giao, điều khiển công suất cũng có mục đích để khống chế nhiễu tác động đến các người sử dụng khác Có thể biểu diễn điều này bằng việc coi rằng mức nhiễu cho phép cực đại tại trạm gốc là một tài nguyên được chia sẻ Thậm chí nếu xét từ quan điểm một người sử dụng, việc phát toàn bộ công suất để đạt được tốc độ số liệu cực đại

là có lợi, thì điều này cũng không thể chấp nhận được từ quan điểm nhiễu vì các đầu cuối khác trong trường hợp này có thể không truyền số liệu thành công Vì thế với đa truy nhập không trực giao, quá trình lập biểu cho một đầu cuối khi các điều kiện kênh thuận lợi có thể không phải là trực tiếp chuyển sang tốc độ số liệu cao vì cần xét đến nhiễu do các đầu cuối phát đồng thời khác gây ra Nói một cách khác, công suất thu (và vì thế tốc độ số liệu) nhờ điều khiển công suất sẽ không đổi không phụ thuộc vào điều kiện kênh tại thời điểm truyền dẫn, trong khi công suất phát phụ thuộc vào điều kiện kênh tại thời điểm truyền dẫn Vì thế, thậm chí lập biểu phụ thuộc kênh trong thí dụ này không cho trực tiếp độ lợi liên quan đến việc đầu cuối phát tốc độ số liệu cao hơn, tuy vậy nó vẫn cung cấp độ lợi cho hệ thống liên quan đến nhiễu nội ô thấp hơn

Phân tích trên về đa truy nhập không trực giao đã được đơn giản hóa vì không đưa ra các giới hạn đối với công suất phát Trong thực tế công suất phát của một đầu cuối được giới hạn trên vì vấn đề thực hiện cũng như quy định luật và quá

PTIT

trình lập biểu cho một đầu cuối để truyền dẫn trong các điều kiện thuận lợi sẽ giảm xác suất mà đầu cuối không có đủ công suất để tận dụng dung lượng

Trong trường hợp sơ đồ đa truy nhập trực giao, điều khiển công suất không cần thiết và các lợi ích mà lập biểu phụ thuộc kênh mang lại tương tự như trong trường hợp đường xuống Về nguyên tắc, từ quan điểm nhiễu nội ô, đầu cuối có thể phát toàn bộ công suất và bộ lập biểu ấn định một phần tài nguyên trực giao thích hợp (trong thực tế là một phần của toàn bộ băng thông) cho đầu cuối này để truyền dẫn Tuy nhiên các hạn chế về thực hiện như dò rỉ giữa các tín hiệu thu hay dải động bị giới hạn trong mạch điện của máy thu có thể đặt ra các giới hạn lên sự khác nhau về công suất cực đại được phép giữa các tín hiệu từ các đầu cuối phát đồng thời Vì thế vẫn cần điều khiển công suất ở một mức độ nào đó dẫn đến tính trạng gần giống như trường hợp không trực giao

Các phân tích về đa truy nhập trực giao và không trực giao chủ yếu chỉ xét đến truy nhập nội ô Tuy nhiên trong nhiều hệ thống thực tế, tái sử dụng tần số giữa các ô được sử dụng Trong trường hợp này đa truy nhập giữa các ô sẽ không trực giao không phụ thuộc vào đa truy nhập nội ô và nó sẽ đặt ra các giới hạn cho công suất phát được phép từ một đầu cuối

Không liên quan đến việc đa truy nhập trực giao hay không trực giao được

sử dụng, các nguyên lý lập biểu cơ sở được sử dụng cho đường lên cũng giống như cho đường xuống Bộ lập biểu max-C/I sẽ ấn định tất cả các tài nguyên đường lên cho đầu cuối có các điều kiện kênh đường lên tốt nhất Bỏ qua tất cả các giới hạn công suất trong đầu cuối, điều này cho phép đạt được dung lượng cao nhất (trong một ô cách ly)

Trong trường hợp sơ đồ không trực giao, làm no sự thèm ăn là một chiến lược lập biểu có thể sử dụng Bằng cách làm no sự thèm ăn, đầu cuối có các điều kiện kênh tốt nhất được ấn định tốc độ cao nhất Nếu mức nhiễu tại máy thu nhỏ hơn mức cho phép cực đại, đầu cuối có các điều kiện kênh thứ hai cũng được phép phát và quá trình tiếp diễn như vậy cho càng nhiều đầu cuối hơn cho đến khi đạt đến mức nhiễu cực đại cho phép tại máy thu Chiến lược này cho phép đạt được mức độ sử dụng giao diện vô tuyến cực đại nhưng với trả giá là tốc độ số liệu giữa các người sử dụng rất khác nhau Trong trường hợp cực đoan, người sử dụng tại biên ô với các điều kiện kênh xấu có thể hoàn toàn không được phát

PTIT

Ta có thể mường tượng rằng các chiến lược giữa làm no sự thèm ăn và max-C/I là các chiến lược công bằng tỷ lệ khác nhau Trong trường hợp này giải thuật làm no sự thèm ăn đưa ra các thừa số trọng số cho từng người sử dụng Các trọng số này tỷ lệ với tỷ số giữa tốc độ số liệu tức thời và tốc độ số liệu trung bình

Các bộ lập biểu nói trên đều giả thiết rằng hiểu rõ các điều kiện đường truyền vô tuyến tức thời, tuy nhiên việc nhận đựợc hiểu biết này trên đường lên rất khó (ta sẽ bàn về vấn đề này trong phần 11.4 dưới đây) Trong các trường hợp không có thông tin về kênh đường lên tại bộ lập biểu, có thể sử dụng lập biểu quay vòng Tương tự như đối với đường xuống, lập biểu quay vòng có nghĩa là các đầu cuối được phát lần lượt, vì thế tạo nên một hoạt động giống như TDMA với tính trực giao giữa các người sử dụng trong miền thời gian Mặc dù lập biểu quay vòng đơn giản nhưng nó kém xa chiến lược lập biểu tối ưu

Tuy nhiên như đã nói ở trên, công suất phát trong một đầu cuối bị hạn chế

và vì thế cần chia sẻ tài nguyên đường lên trong miền tần số và (hoặc) miền mã Điều này cũng ảnh hưởng lên các quyết định lập biểu Chẳng hạn, các đầu cuối ở

xa trạm gốc thường hoạt động trong vùng bị giới hạn bởi công suất, trái lại các đầu cuối ở gần trạm gốc thường hoạt động trong vùng bị giới hạn bởi băng thông Vì thế đối với đầu cuối xa trạm gốc, tăng băng thông không dẫn đến tăng tốc độ số liệu vì thế tốt nhất là ấn định một lượng băng thông nhỏ cho đầu cuối này và ấn định băng thông còn lại cho các đầu cuối khác Trái lại, đối với các đầu cuối gần trạm gốc, ấn định băng thông cao hơn sẽ dẫn đến tốc độ số liệu cao hơn

11.5 CÁC GIẢI THUẬT LẬP BIỂU

Lập biểu đa người sử dụng được xây dựng trên cơ sở giao tiếp lý thuyết thông tin và lý thuyết hàng đợi trong lý thuyết cực đại hóa ân định tài nguyên Trước khi thiết lập một giải thuật, một số đo liên quan đến dung lượng được định nghĩa và sau đó được tối ưu hóa từ tất cả các giải pháp ấn định tài nguyên thỏa mãn một tập các giới hạn được quy định trước Các giới hạn này có thể là vật lý (chẳng hạn băng thông và công suất hay liên quan đến QoS)

Lý thuyết thông tin đưa ra một dẫy các thông số dung lượng liên quan đến các kịch bản khai thác hệ thống khác nhau Dưới đây ta sẽ giải thích hai thí dụ

PTIT

điển hình là dung lượng ergodic và dung lượng bị giới bởi trễ tương ứng với các dạng đảm bảo tốc độ người sử dụng mềm và cứng

Ấn định tài nguyên trong các giải thuật lâp biểu thường được phát biểu như một bài toán tối ưu có giới hạn để: (1) giảm thiểu tổng công suất phát khi cho trước tốc độ số liệu của người sử dụng hay (2) cực đại hóa tốc độ số liệu khi cho trước tổng công suất phát Tiêu chí thứ nhất phù hợp cho các ứng dụng tốc độ số liệu cố định như thoại, trong khi đó tiêu chí thứ hai phù hợp cho các ứng dụng cụm như số liệu và các ứng dụng IP Vì thế trong phần này ta sẽ tập trung lên các giải thuật thích ứng tốc độ (tiêu chí thứ hai) liên quan nhiều hơn đến các hệ thống sau 3G Nếu không có giải thích gì thêm, ta sẽ giả thiết rằng BS nhận được CSI (thông tin trạng thái kênh) tức thời hoàn hảo từ tất cả các người sử dụng Bảng 11.1 tổng kết các ký hiệu sẽ sử dụng trong phần này

Bảng 11.1 Các ký hiệu

hi,k Đường bao độ lợi kênh cho sóng mang con i của người sử dụng k

Pi,k Công suất phát cấp phát cho sóng mang con i của người sử dụng k

2 Mật độ phổ công suất tạp âm Gauss trắng cộng

Pt Tổng công suất phát khả dụng của BS

B Tổng băng thông truyền dẫn

11.5.1 Dung lƣợng ergodic

Dung lượng ergodic (còn được gọi là dụng lượng Shannon) được định nghĩa là tốc độ số liệu cực đại có thể phát trên kênh có xác suất lỗi nhỏ tiệm cận, trong đó tốc độ được lấy trung bình trong quá trình phađinh Khi máy phát có được thông tin trạng thái kênh (CSIT: Channel State Infomation at Transmitter), thì có thể thay đổi công suất phát và thông tin tương hỗ giữa máy phát và máy thu theo trạng thái pha đinh để đạt được tốc độ trung bình cực đại Số đo dung lượng ergodic xét đến tốc độ số liệu trung bình dài hạn được truyền đến một người sử dụng khi người này không bị giới hạn trễ

PTIT

11.5.1.1 Giải thuật tốc độ tổng cực đại

Mục tiêu của giải thuật tốc độ tổng cực đại (MSR: Maximum Sum Rate) là cực đại hóa tốc độ tổng của tất cả các người sử dụng khi cho trước tổng công suất phát Giải thuật này là tối ưu nếu mục tiêu là đạt được truyền số liệu nhiều nhất qua hệ thống Nhược điểm của giải thuật MSR là một số người sử dụng ở gần trạm gốc sẽ được cấp phát hầu hết tài nguyên hệ thống do có kênh tốt Bây giờ ta sẽ đặc trưng ngắn gọn SINR (Signal to Interference plus Noise: tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm), cấp phát tốc độ số liệu, công suất và và sóng mang con mà giải thuật này đạt được cho hệ thống thông tin di động sau 3G sử dụng OFDMA

Giả sử Pi,k là công suất mà người sử dụng k phát trong sóng mang con i Ta

có thể biểu diễn tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm của người sử dụng k trong sóng mang con i (ký hiệu là SINRi,k) như sau:

,

2 , , ,

, 1,

i,k 2 i,t i,k 2

Trong đó hi,k và hi,j là độ lợi kênh của người sử dụng k và j trên sóng mang con i,

2 là phương sai tạp âm, Pt,i là tổng công suất trên sóng mang con i, Pi,k là công suất trên sóng mang con i của người sử dụng k, Pt,i- Pi,k là nhiễu của các người sử dụng khác đối với người sử dụng k trên sóng mang con i và giới hạn tổng công

giải thuật MSR tìm giá trị Pi,k để cực đại hóa Ct :

K N

J=1 i=1 i,k

1

, 2 0

k

i t i k

i k

P C

B

P P

h N

Ta có thể dễ ràng chỉ ra rằng Ci cực đại khi toàn bộ công suất khả dụng Pi,t được

ấn định cho một người sử dụng có độ lợi kênh trong sóng mang con này lớn nhất (chẳng hạn cho người sử dụng k nếu 2 2

Đối với các hệ thống sau 3G (LTE chẳng hạn, ấn định công suất được thực hiện trên một khối tài nguyên (RB: Resource Block) gồm nhiều sóng mang con và trong khoảng thời gian một khung con (1 ms) Bài toán tối ưu nói trên cho ta lời giải ấn định công suất cho người sử dụng k để đạt được tổng số liệu cực đại như sau:

2

2 2

công suất trên một người sử dụng Công thức (11.6) nói lên rằng khối tài nguyên được xét sẽ được ấn định cho người sử dụng có độ lợi kênh lớn nhất Trong trường hợp này dung lượng kênh được xác định bằng tổng dung lượng kênh của các RB

11.5.1.2 Giải thuật công bằng cực đại

Mặc dù giải thuật MSR cho phép đạt được tổng dung lượng cực đại, tuy nhiên trong hệ thống thông tin di động tổ ong nơi mà biên độ suy hao đường truyền thay đổi vài chục lần giữa các người sử dụng, một số người sử dụng sẽ bị thủ tục lập biểu theo giải thuật MSR phục vụ rất kém Tại một thái cực khác, giải thuật công bằng cực đại có mục đích cấp phát sóng mang con và công suất sao cho tốc độ số liệu của người sử dụng cực tiểu đạt giá trị cực đại.Về bản chất điều này tương đương với việc cân bằng các tốc độ số liệu của tất cả các người sử dụng; vì thế nó có tên là “công bằng cực đại” (max-min)

Giải thuật công bằng cực đại có thể được coi là bài toán max-min (cực đại hóa cực tiểu), vì mục đích của nó là cực đại hóa tốc độ số liệu cực tiểu So với trường hợp MSR, trong trường hợp này, việc quyết định cấp phát sóng mang con

và công suất tối ưu khó hơn vì hàm mục tiêu không là hàm lõm Đặc biệt khó khi tìm đồng thời ấn định công suất và sóng mang tối ưu Vì thế, các giải thuật cận tối

ưu ít phức tạp hơn được sử dụng, trong đó ấn định công suất và sóng mang con đựơc thực hiên tách biệt

Cách tiếp cận chung là lúc đầu coi rằng các sóng mang con được ấn định công suất bằng nhau, sau đó lặp lại nhiều lần ấn định từng sóng con khả dụng cho người sử dụng tốc độ bit thấp có kênh tốt nhất trên sóng mang con này Sau khi quá trình cấp phát sóng mang con cận tối ưu hoàn thành, cấp phát công suất (đổ đầy nước) được thực hiện Thông thường thủ tục cận tối ưu này cho hiệu năng gần giống với hiệu năng nhận được bằng cách tìm kiếm mọi cách để cấp phát tốt nhất đồng thời sóng mang con và công suất (xét về cả tính công bằng lẫn thông lượng)

PTIT

11.5.1.3 Giải thuật giới hạn tốc độ tỷ lệ

Điểm yếu của giải thuật công bằng cực đại là việc phân bố tốc độ giữa các người sử dụng không linh hoạt Ngoài ra tổng thông lượng bị giới hạn phần lớn bởi người sử dụng có SINR tồi nhất, vì hầu hết tài nguyên được cấp phát cho người sử dụng này Trong mạng thông tin di động băng rộng, các người sử dụng khác nhau đòi hỏi các tốc độ số liệu phụ thuộc vào ứng dụng và tốc độ này thay đổi đáng kể Giải thuật hạn chế tốc độ tỷ lệ (PRC: Propotional Rate Constraint) là tổng quát hóa của giải thuật công bằng cực đai Mục đích của PRC là cực đại hóa thông lượng tổng kết hợp với quy định (hạn chế) rằng tốc độ số liệu của từng người sử dụng tỷ lệ với một tập các thông số hệ thống được xác định trước  K

2

2 0

log 1

N

i k i k i k k

i

R

B N

Nói chung bài toán tối ưu PRC rất khó giải, vì nó chứa cả biến ngẫu nhiên

Pi,k và biến ngẫu nhiên nhị phân i,k và tập khả thi không phải tập lồi (Convex Set) Đối với trường hợp cân bằng cực đai, cách tiếp cận khôn ngoan là tách riêng ấn định sóng mang con và ấn định công suất để giảm mức độ phức tap Một số giải pháp cận tối ưu cũng như thực hiện với độ phức tạp mới đã được nghiên cứu phát triển

PTIT

11.5.1.4 Lập biểu công bằng tỷ lệ

Ba giải thuật vừa được xét trên đây đều nhằm đạt đựơc tức thời một tiêu chí là: dung lượng tổng (giải thuật MSR), công bằng cực đại (tốc độ số liệu giữa các người sử dụng bằng nhau) hoặc tốc độ số liệu tỷ lệ quy định trước cho từng người sử dụng Tùy chọn, ta có thể tìm cách đạt được các tiêu chí này trong từng thời điểm, nhờ vậy cung cấp thêm tính linh hoạt cho các thủ tục lập biểu Trong trường hợp này, ngoài thông lượng và công bằng còn có một phần tử thứ ba là cần cân đối là độ trễ Trong trường hợp cực đoan trễ được nhượng bộ, bộ lập biểu có thể chỉ đơn giản đợi người sử dụng đền gần BS trước khi phát Thực chất, giải thuật MSR đạt đựơc cả tính công bằng lẫn thông lượng cực đại nếu giả thiết rằng các người sử dụng trong một thời gian dài (nhiều phút, nhiều giờ hoặc hơn nữa) có kênh trung bình như nhau và không có hạn chế liên quan đến trễ Vì trễ (ngay cả khi có giá trị vài giây) nói chung là không thể chấp nhận, nên cần có các giải thuật cân đối trễ, thông lượng và đạt được công bằng ở một mức độ nào đó Cấu trúc khái niệm cơ sở phổ biến nhất cho kiểu này là thủ tục lập biểu công bằng tỷ lệ (PF: Propotional Fairness)

Bộ lập biểu PF được thiết kế để khai thác ưu điểm của phân tập đa người sử dụng (Multi User Diversity) trong khi vẫn duy trì dài hạn thông lượng ngang bằng nhau cho tất cả các người sử dụng Giả sử Rj(f) ký hiệu cho tốc độ số liệu tức thời

mà người sử dụng j có thể đạt được tại khung con f, Tj(f) là thông lượng trung bình cho người sử dụng j cho đến thời điểm khung con f Bộ lập biểu PF chọn người sử dụng k(f) có Rk(f)/Tk(f) cao nhất để phát:

( ) ( )

( )

j=0,1, ,K-1arg max

Xét trong thời gian dài, điều này tương ứng với việc chọn người sử dụng

có tốc độ số liệu tức thời cao nhất tỷ đối với tốc độ trung bình của người này Sau

đó thông lượng trung bình Tj(f) cho người sử dụng j trong cửa sổ đã qua tại từng khung con được cập nhật theo biểu thức sau:

PTIT

và vì thế giảm độ lợi lập biểu Giá trị tc lớn hơn sẽ cho phép bộ lập biểu đợi giá trị thực sự cao và vì thế cải thiện thông lượng hệ thống tuy nhiên phải trả giá bằng tăng trễ Vì thế có thể chọn giá trị tc để được cân bằng giữa trễ và thông lượng trong các hệ thống 3G Tc thường được chọn từ 20 đến 30

PTIT

Hình 11.6 Phụ thuộc 1/T(f) vào thời gian với t c =50, 100, 200

Đối với tc rất lớn (tiến tới ), giải thuật PF cực đại hóa:

1 0log( )





K j j

PTIT

Trong đó

1 0

Trong đó Tj(f+1|j) ký hiệu cho Tj(f+1) với giả thiết là người sử dụng j được lập biểu trong khung con f Vì thế giải thuật PF sẽ lập biểu cho một người trong khung

f cho „phần thưởng‟ tức thời lớn nhất trong hàm tiện ích U(f)

Bây giờ ta sẽ viết biểu thức lập biểu ở dạng tổng quát hơn:

( )( )

( )j=0,1, ,K-1

tổ ong, sự khác nhau giữa SINR trung bình của người sử dụng khỏe và yếu có thể lên đến 20dB Điều này có nghĩa là đỉnh của các người sử dụng yếu không bao giờ vượt quá chất lượng kênh mà các người sử dụng khỏe trải nghiệm và các người sử dụng yếu này có thể chẳng bao giờ được lập biểu Trong khi sơ đồ này sẽ cực đại hóa thông lượng hệ thống, nhưng nhược điểm chính là không công bằng đối với các người sử dụng yếu phải trải nghiệm các thông lượng rất tháp hoặc hoàn toàn không có cơ hội truyền dẫn Rõ ràng rằng sơ đồ (=1, =1) đạt được cân bằng giữa công bằng và thông lượng hệ thống Các giá trị khác của  và  được sử dụng để đạt được sự cân đối giữa công bằng và thông lượng mong muốn

Ta đã xét giải thuật PF trong ngữ cảnh lập biểu trong miền thời gian Có thể

dễ ràng mở rộng giải thuật này để xét đến lập biểu chọn lọc tần số đối với các hệ thống OFDMA và SC-FDMA Ngoài ra cũng có thể xét đến các thay đổi miền

PTIT

không gian cho lập biểu thới gian, tần số và không gian trong các sơ đồ MIMO OFDMA hay SC-FDMA

MU-11.5.2 Dung lượng bị giới hạn bởi trễ

Ngay cả khi PFS (Propotional Fairness Scheduler: bộ lập biẻu công bằng tỷ lệ) đưa một số phần nào công bằng vào hệ thống, dạng công bằng này có thể vẫn chưa đủ đối với các ứng dụng có quy định trễ rất chặt chẽ Đối với các trường hợp này cần có một số đo dung lượng khác: một loại số đo như vậy được gọi là “dung lượng bị giới hạn bởi trễ Dung lượng bị giới hạn bởi trễ (hay còn được gọi là dung lượng dừng hoạt động tại không) được định nghĩa là tốc độ truyền dẫn có thể được đảm bảo trong tất cả các trạng thái pha đinh trong điều kiện hạn chế công suất hữu hạn dài hạn Khác với dung lượng ergodic, trong đó thông tin tương hỗ giữa máy phát và máy thu thay đổi theo kênh, các công suất trong dung lượng bị giới hạn bởi trễ được phối hợp giữa các người sử dụng và các khối tài nguyên cho mục đích duy trì thông tin tương hỗ không đổi không phụ thuộc vào các trạng thái pha đinh Dung lượng bị giới hạn bởi trễ liên quan đến các loại lưu lượng trong đó một tốc độ số liệu cho trước phải được duy trì trong suốt thời gian kết nối không phụ thuộc vào các điểm trũng của pha đinh

11.5.3 Hành vi lưu lượng và lập biểu

Cần lưu ý rằng khi tải hệ thống thấp các giải thuật lập biểu khác nhau ít khác nhau (trường hợp chỉ một hay một số ít người sử dụng có số liệu đợi truyền dẫn tại trạm gốc tại thời điểm lập biểu) Các khác biệt này chỉ rõ rệt khi tải cao Tuy nhiên không chỉ tải mà cả hành vi của lưu lượng cũng ảnh hưởng lên họat động tổng thể của lập biểu

Như đã nói ở trên, lập biểu phụ thuộc kênh tìm cách khai thác các thay đổi ngắn hạn trong chất lượng vô tuyến Nói một cách tổng quát, một mức độ công bằng dài hạn nhất định trong chất lượng kênh cần được tính đến khi thiết kế bộ lập biểu Tuy nhiên khi áp đặt công bằng cao hơn, thông lượng sẽ giảm, nên cần phải cân nhắc giữa công bằng và thông lượng Trong quá trình cân nhắc này, điều quan

PTIT

trong là phải xét đến các đặc tính lưu lượng vì nó ảnh hưởng lớn lên việc cân nhắc giữa thông lượng hệ thống và chất lượng dịch vụ

Để minh họa ta xét ba bộ lập biểu đường xuống khác nhau:

1 Bộ lập biểu quay vòng (RR: Round-robin), trong đó các điều kiện kênh không được xét

2 Bộ lập biểu công bằng tỷ lệ (PR: Proportional Fair), trong đó các thay đổi ngắn hạn được khai thác trong khi vẫn duy trì tốc độ số liệu trung bình dài hạn của người sử dụng

3 Bộ lập biểu Max-C/I, trong đó người sử dụng có chất lượng kênh tức thời tốt nhất được lập biểu

Đối với kịch bản bộ đệm đầy, khi luôn có số liệu sẵn sàng tại BS cho tất cả các đầu cuối trong ô, bộ lập biểu Max-C/I sẽ dẫn đến các người sử dụng tại biên ô không có hoặc chỉ có thông lượng rất thấp Lý do vì chiến lược căn bản của bộ lập biểu Max-C/I là tất cả tài nguyên đều được cấp phát cho đầu cuối có chất lượng kênh đảm bảo tốc độ số liệu cao nhất Rất hiếm khi hoặc hầu như không bao giờ người sử dụng tại biên ô có được các điều kiện kênh tốt hơn các người sử dụng tại tâm ô (trừ trường hợp xẩy ra phađinh sâu tại tâm ô) vì thế rất hiếm khi hoặc hầu như không bao giờ các người sử dụng tại biên ô được lập biểu Trái lại bộ lập biểu công bằng tỷ lệ sẽ đảm bảo một mức độ công bằng nhất định bằng cách chọn lựa các người sử dụng để lập biểu nếu họ đảm bảo tốc độ số liệu cao tương đối so với tốc độ số liệu trung bình Vì thế có xu thế là các người sử dụng được lập biểu theo đỉnh phađinh của họ chứ không theo chất lượng tuyệt đối Vì thế ngay cả các người sử dụng tại biên ô cũng sẽ được lập biểu và điều này đảm bảo sự công bằng (ở một mức độ nhất định) giữa các người sử dụng

Đối với trường hợp số liệu gói mang tính cụm (bùng nổ), tình trạng khác hẳn Trong trường hợp này, các độ đệm của các người sử dụng sẽ có hạn và trong nhiều trường hợp thậm chí rỗng Chẳng hạn một trang web có kích thước nhất định và sau khi phát đi trang web này, sẽ không còn số liệu để phát đến đầu cuối liên quan cho đến khi người sử dụng ấn phím yêu cầu một trang mới Trong trường hợp này bộ lập biểu Max-C/I vẫn đảm bảo một mức độ công bằng nhất định Sau khi bộ đệm của người sử dụng có C/I cao nhất đã rỗng, một người sử dụng khác có bộ đệm không rỗng và có C/I cao nhất tiếp theo sẽ được lập biểu và

PTIT

tiếp tục như vậy Nguyên nhân khác nhau giữa bộ đệm đầy và lưu lượng trình duyệt web được minh họa trên hình 11.7 Bộ lập biểu tỷ lệ công bằng có hiệu năng như nhau trong cả hai trường hợp

Max-C/I PF

CDF: Comulative Distribution Function: hàm phân bố tích lũy

Hình 11.7 Minh họa hành vi của các chiến lược lập biểu khác nhau: (a) đối với các bộ đệm đầy và (b) đối với mô hình lưu lượng duyệt web

Rõ ràng rằng mức độ công bằng do các tính chất lưu lượng đem lại phụ thuộc rất nhiều vào lưu lượng thực tế; vì thế không nên thực hiện thiết kế với một

số giả thiết nhất định trong mạng thực tế mà ở đó mẫu lưu lượng có thể khác với các giả thiết này Vì thế nếu chỉ dựa trên các tính chất lưu lượng đối với công bằng thì sẽ không có chiến lược tốt, nhưng các phân tích trên nhấn mạnh rằng cần thiết

kế bộ lập biểu không chỉ riêng cho trường hợp bộ đệm đầy

11.5.4 Thu nhận thông tin trạng thái kênh

Để chọn ra tốc độ số liệu phù hợp (trong thực tế là sơ đồ điều chế và tỷ lệ

mã hóa kênh thích hơp), máy phát cần có thông tin về các điều kiện kênh truyền

vô tuyến Thông tin này cũng cần cho quá trình lập biểu phụ thuộc kênh Trong

PTIT

trường hợp hệ thống dựa trên ghép song công theo tần số (FDD), chỉ máy thu là có thể đánh giá chính xác các điều kiện kênh truyền vô tuyến

Đối với đường xuống, hầu hết các hệ thống cung cấp một tín hiệu đường xuống có cấu trúc quy định trước, được gọi là hoa tiêu (Pilot) đường xuống hay tín hiệu tham chuẩn (RS: Reference Signal) đường xuống Tín hiệu tham khảo này được phát từ trạm gốc với công suất không đổi và có thể được đầu cuối di động sử dụng để ước tính các điều kiện kênh đường xuống Thông tin về các điều kiện kênh đường xuống sau đó được báo cáo lại cho trạm gốc

Về cơ bản, máy phát cần có đánh giá phản ảnh các tình trạng kênh tại thời điểm truyền dẫn Vì thế về nguyên tắc, đầu cuối có thể sử dụng một bộ dự báo để

dự báo các điều kiện kênh tương lai và báo cáo giá trị dự báo này cho trạm gốc Tuy nhiên do điều này đòi hỏi phải đặc tả các giải thuật dự báo và cách thức hoạt động của các giải thuật này khi đầu cuối di động đến các vị trí khác nhau, nên hầu hết các hệ thống thực tế chỉ đơn giản báo cáo các điều kiện kênh đo được cho trạm gốc Có thể coi đây là một bộ dự báo rất đơn giản với giả thiết rằng các điều kiện kênh trong tương lai gần cũng giống như các điều kiện hiện thời Vì thế sự biến động kênh theo thời gian càng nhanh thì thích ứng đường truyền càng kém hiệu quả

Vì không thể tránh trễ giữa thời điểm đầu cuối đo các điều kiện kênh và thời điểm áp dụng các giá trị được báo cáo tại máy phát, nên lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng đường truyền thông thường làm việc tốt nhất tại mức độ di động đầu cuối thấp Nếu đầu cuối di động bắt đầu chuyển động nhanh, các báo cáo kết quả đo sẽ bị lạc hậu khi BS áp dụng nó Trong các trường hợp này tốt nhất là thực hiện thích ứng đường truyền dựa trên chất lượng kênh trung bình dài hạn và sử dụng HARQ bằng kết hợp mềm cho thích ứng nhanh

Đối với đường lên không thể thực hiện ước tính các điều kiện kênh một cách trực tiếp vì không có tín hiệu tham khảo được phát với công suất không đổi

từ từng đầu cuối di động

Trong trường hợp một hệ thống sử dụng TDD (ghép song công phân chia theo thời gian), trong đó truyền dẫn đường lên và đường xuống được ghép chung theo thời gian trên cùng một băng tần, suy hao tín hiệu đường lên có thể được ước tính từ các đo đạc đường xuống của đầu cuối di động do tính đổi lẫn của phađinh

PTIT

đa đường trong trường hợp TDD Tuy nhiên cần lưu ý rằng cách này không cung cấp đầy đủ thông tin về các điều kiện đường xuống Chẳng hạn các tính trạng nhiễu tại đầu cuối đường xuống và các trạm gốc khác nhau trong trường hợp TDD

11.6 THÍCH ỨNG ĐƯỜNG TRUYỀN (LA)

11.6.1 Điều khiển công suất và tốc độ số liệu theo chất lượng kênh truyền

Điều khiển công suất động đã được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động dựa trên CDMA như WCDMA và cdma2000 để bù trừ các thay đổi điều kiện kênh tức thời Đúng như tên gọi, điều khiển công suất động thực hiện điều chỉnh công suất phát của đường truyền vô tuyến để bù trừ các thay đổi và các sự khác nhau của các điều kiện kênh tức thời Mục đích của điều chỉnh này là để duy trì Eb/N0 không đổi tại máy thu để truyền thành công số liệu mà không bị xác suất lỗi quá cao Về nguyên lý, điều khiển công suất phát tăng công suất tại máy phát khi các điều kiện kênh vô tuyến tồi (và ngược lại) Như vậy về bản chất công suất phát tỷ lệ nghịch với chất lượng kênh (hình 11.8a) Kết quả điều khiển công suất cho phép đảm bảo tốc độ số liệu không đổi không phụ thuộc vào các thay đổi kênh Đối với các dịch vụ như thoại chuyển mạch kênh điều này rất cần thiết Có thể coi điều khiển công suất là một lọai thích ứng đường truyền trong đó điều khiển các thông số truyền dẫn được thực hiện để thích ứng với các điều kiện kênh tức thời khác nhau nhằm duy trì mức EPTITb/N0 yêu cầu

Hình 11.8 (a) Điều khiển công suất, (b) Điều khiển tốc độ

Tuy nhiên trong nhiều trường hợp của thông tin di động, đặc biệt là trong trường hợp lưu lượng gói, không nhất thiết phải đảm bảo tốc độ số liệu không đổi trên kênh vô tuyến Trong các trường hợp này điều quan trọng đối với người sử dụng là đảm bảo tốc độ số liệu cao tới mức có thể Trong thực tế, ngay cả trong các trường hợp của các dịch vụ “tốc độ không đổi” thông thường như thoại và video, các thay đổi (ngắn hạn) trong tốc độ số liệu cũng không quan trọng chừng nào tốc độ số liệu trung bình vẫn được duy trì không đổi (với giả thiết là trung bình được lấy trong một khoảng thời gian khá ngắn) Trong các trường hợp này khi không cần tốc độ dữ liệu không đổi, thì một giải pháp thay thế cho điều khiển công suất là thích ứng đường truyền bằng cách điều khiển tốc độ động Điểu khiển tốc độ động không hướng đến duy trì tốc độ số liệu tức thời của đường truyền vô

PTIT