Lập biểu phụ thuộc chất lượng kênh trong các hệ thống LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HÀ VIỆT DŨNG LẬP BIỂU PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG KÊNH TRONG CÁC HỆ THỐNG LTE CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2011 Luận văn được hoàn thành tại: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: TS. Dư Đình Viên Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của viễn thông. Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữ liệu. Do đó để đáp ứng về nhu cầu sử dụng ngày càng cao, các hệ thống thông tin di động đã không ngừng được cải tiến và được chuẩn hóa bởi các tổ chức trên thế giới. Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là một điều tất yếu. Một trong những đặc tính của thông tin vô tuyến di động là sự thay đổi nhanh của môi trường truyền dẫn. Do đó tạp âm nhiễu là một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn của người sử dụng. Ngoài ra, nhu cầu cần một thông lượng lớn để đáp ứng nhu cầu đa dạng của người sử dụng ngày nay đòi hỏi phải có những phương pháp nhằm tối ưu hóa lưu lượng cho người sử dụng. Từ những yêu cầu cấp thiết như vậy, nội dung luận văn được đưa ra để xem xét cũng như đưa ra những giải pháp để khắc phục những vấn đề cấp bách trên. Nội dung luận văn gồm có ba chương: Chương 1: Chương này đã xét tổng quan các quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE (E3G/4G-). Ngoài ra phần này cũng xét đến lộ trình tiến lên 4G, công nghệ truy nhập vô tuyến 4G sẽ có thể gọi là IMT2000 Adv. Chương 2: Chương này sẽ xét nguyên lí OFDM và ứng dụng của nó trong mô hình vật lí OFDMA đường xuống của LTE và phân tích những nhược điểm của điều chế OFDM. Sau đó, chúng ta tìm hiểu một số dạng điều chế cải tiến của OFDM là DFTS-OFDM. Chương 3: Từ những kĩ thuật điều chế OFDMA sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA cho đường lên như đã xét ở chương 2, phần này sẽ trình bày những thuật toán lập biểu phụ thuộc kênh cho cả đường lên lẫn đường xuống nhằm tối ưu hóa tài nguyên cho các người sử dụng. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3GPP LTE VÀ LỘ TRÌNH TIẾN LÊN 4G Chương này trình bày tổng quan về lộ trình tiến lên 4G của chuẩn 3GPP bao gồm: các phiên bản phát hành của tổ chức 3GPP, các mục tiêu yêu cầu của LTE và cuối cùng là các tính năng quan trọng của LTE đã đưa 3GPP cũng như viễn thông thế giới tiến tới 4G. 1.1. TỔ CHỨC 3GPP VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G 1.1.1. Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành Hoạt động tiêu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến 2008 được tổng kết theo thời gian đưa ra các phát hành được biểu diễn trong hình 1.1[2]. Hình 1.1. Tiến trình các phát hành trong 3GPP [2] 1.1.1.1. Truy nhập gói tốc độ cao HSPA Những cải tiến trong R5 này thường được nhắc đến với một tên gọi HSDPA. Sự ra đời của HSDPA nhằm hỗ trợ mạnh mẽ các dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độc truyền dẫn lớn như các dịch vụ tương tác, dịch vụ nền, dịch vụ streaming. Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 14,4 Mbps. Cả hai mạng HSDPA và HSUPA được gọi với cái tên chung là HSPA. Các mạng HSDPA đầu tiên được thương mại hóa vào năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại năm 2007. 1.1.1.2. Phát triển dài hạn LTE LTE là một trong số các con đường tiến lên 4G. LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp theo đó là IMT Advance 4G. LTE cho phép chuyển đổi từ từ từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu 4G sau đó sẽ là IMT Advance như hình 1.2[2]. Ngoài LTE của 3GPP thì 3GPP2 cũng đang thực hiện kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2 đưa ra là UMB. Chương trình khung của kế hoạch này bắt đầu từ năm 2000. 1.2. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ LTE VÀ CÁC YÊU CẦU Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN để có thể triển khai vào năm 2010. Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành, nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng và giảm thời gian trễ, giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ ràng triển khai và khai thác hệ thống. Hình 1.2. Hội thảo nghiên cứu LTE [2] 1.2.1. Các mục tiêu yêu cầu của LTE Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cả đường lên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với các mạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác. Các mục tiêu LTE được thể hiện dưới các khía cạnh sau. 1.2.1.1. Các khả năng của LTE 1.2.1.2. Hiệu năng hệ thống 1.2.1.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai Các yêu cầu liên quan tới triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, tính linh hoạt phổ tần, triển khai phổ và đồng tồn tại cũng như tương tác với các mạng tồn tại khác của 3GPP như GSM, WCDMA/HSPA. a. Triển khai phổ tần b. Các vấn đề tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT 1.2.1.4. Quản lí tài nguyên vô tuyến Các yêu cầu đối với LTE phải giảm thiểu mức độ phức tạp của UTRA UE liên quan đến kích thước, trọng lượng và dung lượng acqui (chế độ chờ và chế độ tích cực) và các trạng thái UE đơn giản hơn so với UMTS, nhưng vẫn đảm bảo các dịch vụ tiên tiến LTE. 1.2.2. Các mục tiêu thiết kế SAE. 1.2.2.1. Kiến trúc mạng LTE Hình 1.9 cho thấy tổng quan về mạng truy nhập vô tuyến LTE, các Node giao diện và sự khác biệt trong kiến trúc mạng giữa LTE và WCDMA/HSPA. Trong LTE không có Node tương đương với RNC. Do không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên và đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử dụng và hơn nữa việc thiết kế giảm thiểu số lượng Node trong mạng giảm độ phức tạp, quản lý. 1.2.2.2. Lõi gói phát triển EPC Mạng lõi được sử dụng cho WCDMA/HSPA và LTE được xây dựng trên sự phát triển mạng lõi GSM/GPRS. Mạng lõi sử dụng cho WCDMA/HSPA rất gần với mạng lõi gốc của GSM/GPRS ngoại trừ sự khác nhau trong việc phân chia chức năng với RAN. Tuy nhiên mạng lõi được sử dụng để kết nối tới LTE RAN là sự phát triển triệt để hơn của mạng lõi GSM/GPRS. Vì thế nói có tên là lõi gói phát triển EPC. Hình 1.9. Kiến trúc mạng LTE [2] 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương này đã xét tổng quan các quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE (E3G/4G-). Các công nghệ truy nhập HSPA vẫn còn dựa trên công nghệ truy nhập vô tuyến CDMA của WCDMA. Có thể nói HSPA là hậu của 3G còn LTE là tiền 4G. Trong chương này cũng xét đến lộ trình tiến lên 4G, công nghệ truy nhập vô tuyến 4G sẽ có thể gọi là IMT2000 Adv. Nhìn chung, mục đích chính và then chốt của các công nghệ này là đều nhằm cải thiện các thông số hiệu năng và giảm giá thành so với các công nghệ trước đó CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA Chương này sẽ xét nguyên lí OFDM và ứng dụng của nó trong mô hình vật lí OFDMA đường xuống của LTE. Nhược điểm của điều chế OFDM và các phương pháp truyền dẫn đa sóng mang khác là sự thay đổi công suất tức thời của tín hiệu phát rất lớn dẫn đến tỉ số giữa công suất đỉnh và công suất trung bình rất lớn. Để giải quyết vấn đề này, LTE sử dụng một số dạng điều chế cải tiến của OFDM là DFTS-OFDM. Đây là một công nghệ hứa hẹn của cho thông tin đường lên tốc độ cao trong các hệ thống thông tin di động tương lai. 2.1. NGUYÊN LÝ ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA 2.1.1. Nguyên lý OFDM Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyến tính do tính phân tán của kênh truyền dẫn vô tuyến gây ra. Nguyên lý của OFDM là phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này. Theo đó, luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn. Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng 2.1.2. Hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng miền tần số SC/FDE Như đã trình bày OFDM là một giải pháp tốt nhằm giảm ảnh hưởng truyền tín hiệu đa đường. Khả năng đề kháng này do OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trực giao. 2.1.3. Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA 2.1.3.1. Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA {x } p {X } n {X } i {x } i mod s T mod s T mod . / FFT s T T P N  FFT T Hình 2.4. Cấu trúc bộ phát và thu của SC-FDMA và OFDMA [4]. 2.1.3.2. SC-FDMA với tạo dạng phổ Tín hiệu SC-FDMA được tạo ra trong các phần trước là có dạng hình chữ nhật. Để giảm hơn nữa sự biến thiên của tín hiệu SC-FDMA, giảm bức năng lượng tín hiệu ngoài băng, có thể thực hiện tạo dạng phổ thích hợp cho tín hiệu này. Sơ đồ được cho Hình 2.9 dưới đây. Hình 2.9. Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiệu SC-FDMA [4]. 2.1.4. Sắp xếp các sóng mang Giống như OFDMA, Thông lượng của SC-FDMA phụ thuộc vào cách sắp đặt các ký hiệu thông tin lên các sóng mang con. Có hai cách sắp xếp các sóng mang con giữa các máy đầu cuối. Đó là khoanh vùng (LFDMA: Localized SC-FDMA) và phân bố (DFDMA: Distributed FDMA). Hình 2.12. Sắp xếp các sóng mang (a) LFDMA và (b) DFDMA [7] 2.1.5.1. Các kí hiệu miền thời gian của IFDMA Ta có thể biểu diễn tín hiệu IFDMA trong miền thời gian như sau: 1 2 0 ( ) . i N j m N i i x m X e      (2.3) Trong đó . (0 1) 0 khác n i X i Q n n P X         (2.4) Với m = P.q+p và N = Q.P; 0 ≤ q ≤ Q-1 và 0 ≤ p ≤ P-1 (2.5) 2.1.5.2. Các kí hiệu miền thời gian của LFDMA Các kí hiệu LFDMA trong miền thời gian được biểu diễn như sau: 1 2 0 ( ) . i N j m N i i x m X e      (2.12) (0 1) 0 khác n i X i n n P X         (2.13) Với m = Q.p+q và N = Q.P; 0 ≤ q ≤ Q-1 và 0 ≤ p ≤ P-1 (2.14) 2.1.5.3. Các kí hiệu miền thời gian của DFDMA Các kí hiệu DFDMA trong miền thời gian được biểu diễn như sau: 1 2 0 ( ) . i N j m N i i x m X e      (2.21) . (0 1) 0 khác n i X i H n n P X         (2.22) Với m = Q.p+q; N = Q.P; 0 ≤ q ≤ Q-1; 0 ≤ p ≤ P-1 và 0 ≤ H < Q (2.23) 2.2. SC-FDMA và OFDMA Từ hình 2.18 [7] chúng ta có thể thấy rằng lược đồ khối của bộ phát OFDMA có nhiều điểm chung với SC-FDMA. Chỉ có duy nhất một điểm khác biệt giữa chúng là sự hiện diện của khối DFT trong lược đồ khối SC-FDMA. Vì lý do này mà SC-FDMA đôi khi còn được gọi là DFTS-OFDMA (hay DFTP-OFDMA). 2.3. SC-FDMA và DS-CDMA/FDE Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) với FDE là một kỹ thuật thay thế cho máy thu Rake, thông thường được sử dụng trong DS-CDMA với bộ cân bằng miền tần số. Một máy thu Rake bao gồm các bộ hiệu chỉnh, mỗi bộ hiệu chỉnh một thành phần tín hiệu đa đường. Số tín hiệu đa đường tăng thì chọn lọc tần số trong kênh cũng tăng và độ phức tạp của máy thu Rake cũng tăng lên và cần nhiều các bộ hiệu chỉnh hơn. Việc sử dụng FDE thay vì máy thu Rake có thể làm giảm bớt vấn đề phức tạp trong hệ thống DS-CDMA. Lược đồ khối của hệ thống DS-CDMA có thể được cho như hình vẽ 2.21 [7]. {x } n Hình 2.21. Hệ thống DS-CDMA [7]. 2.4. KẾT LUẬN Chương này đã xét nguyên lí chung của OFDM và DFTS-OFDM. OFDM là phương pháp truyền dẫn đa sóng mang cho phép truyền dẫn vô tuyến băng rộng với tiết kiệm băng thông nhất. Vì thế nó có thể được sử dụng cho mô hình vật lí của OFDMA đường xuống của LTE. Tuy nhiên do nhược điểm của OFDM là có PAPR cao nên DFTS-OFDM được sử dụng cho mô hình lớp vật lí SC-FDMA đường lên. [...]...Chương 3 LẬP BIỂU PHỤ THUỘC KÊNH Trong chương 2 chúng ta đã xem xét kĩ thuật đa truy nhập OFDMA cho đường xuống và SCFDMA cho đường lên Dựa vào những kĩ thuật đa truy nhập này chúng ta đề xuất những phương pháp lập biểu phụ thuộc kênh nhằm tối ưu hóa tài nguyên cho người sử dụng Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống đã mang lại những kết quả hết sức khả quan Tuy nhiên lập biểu phụ thuộc kênh đường... một cách đồng bộ các sóng mang con (OFDMA) Vấn đề công suất và phân bổ sóng mang con trong các hệ thống OFDMA đã được nghiên cứu một cách trọng tâm Trong các hệ thống LTE, các tài nguyên lập biểu cho người sử dụng được đưa ra trong cả miền thời gian (TD) và miền tần số (FD) chính khả năng này giúp tăng thông lượng hệ thống Hình 3.1 Cấu trúc miền thời gian tần số đường xuống LTE [11] 3.1.1 Chỉ thị chất. .. (3.24) , Trong đó M là giá trị thực dương lớn 3.2.3.3 Lập biểu cận tối ưu đa người sử dụng Trong các công thức lập biểu tối ưu trong (P1) và (P1’), các lược đồ mã hóa và điều chế (MCSs), các khối lập biểu (SBs) và các người sử dụng được chia sẻ chung Để giảm sự phức tạp trong tính toán, bộ lập biểu cận tối ưu thực hiện chia sẻ tài nguyên trong hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu tiên, mỗi khối lập biểu được... được sử dụng như là các công nghệ then chốt trong các hệ thông thông tin di động 3G tăng cường và 4G: lập biểu biểu phụ thuộc kênh cho đường lên và đường xuống Lập biểu phụ thuộc kênh giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho một người sử dụng vì thế cho phép người tiêu dùng sử dụng nhiều hơn trong hệ thống trong khi vẫn đáp ứng được yêu cầu chất lượng dịch vụ KẾT LUẬN Nội dung luận văn được đưa ra... bổ các tài nguyên tới đa người sử dụng trên đường xuống của một hệ thống truyền thông tế bào LTE luôn rất phức tạp Một bộ lập biểu đa người sử dụng tối ưu (thông lượng tối đa) được xem xét và đánh giá công năng của nó Các kết quả bằng số cho thấy công năng hệ thống cải thiện với mối tương quan chặt chẽ giữa các sóng mang con OFDMA 3.2.1 Mô hình hệ thống Trong mô hình hệ thống chúng ta sẽ nghiên cứu các. .. lập biểu để sử dụng các khối tài nguyên vật lý cho thời gian riêng Người sử dụng với điều kiện kênh CQI tồi nhất sau đó sẽ được lập biểu để sử dụng PRBs Người sử dụng xếp ở vị trí thứ K có thể được tìm thấy bởi sử dụng phương trình sau: = arg max( ( )) (3.8) là vector của các nhiễu tác động bởi các người sử dụng ô trong thời gian t 3.2 TỐI ƯU HÓA LẬP BIỂU TÀI NGUYÊN ĐƯỜNG XUỐNG TRONG CÁC HỆ THỐNG LTE. .. theo trong một giai đoạn thời gian khác Người sử dụng được phục vụ trước đó được xếp ở vị trí cuối trong hàng đợi do đó nó có thể được phục vụ với các tài nguyên tần số trong vòng kế tiếp Những yêu cầu mới cũng sẽ được đặt ở trí này trong hàng đợi Lập biểu này tiếp tục theo một cách như vậy 3.1.2.4 Thuật toán lập biểu nhiễu tối đa Trong phương pháp này, người sử dụng được lập biểu để sử dụng các nguồn... trong tất cả các ô Itot = − (3.31) Tỉ lệ khuếch đại trên nhiễu (GIR) đường lên có cùng công thức như là GIR đường xuống = (3.32) 3.2.1 Mô hình hệ thống Chúng ta sẽ xem xét một hệ thống đa truy nhâp tế bào với các anten thu truyền dẫn đơn tại đầu cuối người sử dụng thứ i, = 1,2, … , trong đó tại eNB và anten là tổng số người sử dụng trong hệ thống Chúng ta nghiên cứu hệ thống MIMO đa người sử dụng trong. .. trận × ) Biểu thị tổng các phần tử trong cột thứ bởi: () ( ) , = (3.13) Sau đó lược đồ mã hóa và điều chế cho người sử dụng i là: ∗ ( ) Và tỉ lệ bit tối đa tương ứng là ∗ = ( ) max (3.14) () của các khối lập biểu tới người sử dụng I được cho bởi Tập công thức: = , , ≥ ∗ , ∈ (3.15) 3.2.3 Bộ lập biểu tối ưu thông lượng Trong phần này, vấn đề lập biểu đa người sử dụng được đề cập, trong đó các nguồn... tần số đường xuống LTE [11] 3.1.1 Chỉ thị chất lượng kênh (CQI) Những người sử dụng đầu cuối cung cấp các báo cáo chỉ thị chất lượng kênh (CQI) định kì dựa vào những đánh giá của các tỉ lệ khuếch đại trên nhiễu (GIR) trên các tín hiệu tham khảo đường xuống của công suất đã biết Các báo cáo CQI được truyền tải trên các kênh điều khiển đường lên tới bộ lập biểu đặt tại trạm gốc Báo cáo CQI của một người . HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HÀ VIỆT DŨNG LẬP BIỂU PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG KÊNH TRONG CÁC HỆ THỐNG LTE CHUYÊN NGÀNH:. số công nghệ được sử dụng như là các công nghệ then chốt trong các hệ thông thông tin di động 3G tăng cường và 4G: lập biểu biểu phụ thuộc kênh cho đường