LẬP BIỂU PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG KÊNH TRONG CÁC HỆ THỐNG LTE

LẬP BIỂU PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG KÊNH TRONG CÁC HỆ THỐNG LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐỒN BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CƠNG 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 hồn thành tại: Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Tập đồn Bưu Viễn thơng Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: TS Dư Đình Viên Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: .ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, thông tin di động lĩnh vực phát triển nhanh viễn thông Nhu cầu sử dụng người ngày tăng số lượng chất lượng, dịch vụ đa phương tiện ngày đa dạng như: thoại, video, hình ảnh liệu Do để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày cao, hệ thống thông tin di động khơng ngừng cải tiến chuẩn hóa tổ chức giới Việc hệ thống thông tin di động tiến lên 4G điều tất yếu Một đặc tính thơng tin vô tuyến di động thay đổi nhanh mơi trường truyền dẫn Do tạp âm nhiễu nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn người sử dụng Ngoài ra, nhu cầu cần thông lượng lớn để đáp ứng nhu cầu đa dạng người sử dụng ngày địi hỏi phải có phương pháp nhằm tối ưu hóa lưu lượng cho người sử dụng Từ yêu cầu cấp thiết vậy, nội dung luận văn đưa để xem xét đưa giải pháp để khắc phục vấn đề cấp bách Nội dung luận văn gồm có ba chương: Chương 1: Chương xét tổng quan trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) LTE (E3G/4G-) Ngoài phần xét đến lộ trình tiến lên 4G, cơng nghệ truy nhập vơ tuyến 4G gọi IMT2000 Adv Chương 2: Chương xét nguyên lí OFDM ứng dụng mơ hình vật lí OFDMA đường xuống LTE phân tích nhược điểm điều chế OFDM Sau đó, tìm hiểu số dạng điều chế cải tiến OFDM DFTS-OFDM Chương 3: Từ kĩ thuật điều chế OFDMA sử dụng cho đường xuống SC-FDMA cho đường lên xét chương 2, phần trình bày thuật toán lập biểu phụ thuộc kênh cho đường lên lẫn đường xuống nhằm tối ưu hóa tài nguyên cho người sử dụng CHƯƠNG TỔNG QUAN 3GPP LTE VÀ LỘ TRÌNH TIẾN LÊN 4G Chương trình bày tổng quan lộ trình tiến lên 4G chuẩn 3GPP bao gồm: phiên phát hành tổ chức 3GPP, mục tiêu yêu cầu LTE cuối tính quan trọng LTE đưa 3GPP viễn thông giới tiến tới 4G 1.1 TỔ CHỨC 3GPP VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G 1.1.1 Tổ chức 3GPP phiên phát hành Hoạt động tiêu chuẩn hóa tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến 2008 tổng kết theo thời gian đưa phát hành biểu diễn hình 1.1[2] Hình 1.1 Tiến trình phát hành 3GPP [2] 1.1.1.1 Truy nhập gói tốc độ cao HSPA Những cải tiến R5 thường nhắc đến với tên gọi HSDPA Sự đời HSDPA nhằm hỗ trợ mạnh mẽ dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độc truyền dẫn lớn dịch vụ tương tác, dịch vụ nền, dịch vụ streaming Tốc độ truyền dẫn tối đa lên đến 14,4 Mbps Cả hai mạng HSDPA HSUPA gọi với tên chung HSPA Các mạng HSDPA thương mại hóa vào năm 2005 HSUPA đưa vào thương mại năm 2007 1.1.1.2 Phát triển dài hạn LTE LTE số đường tiến lên 4G LTE tồn giai đoạn đầu 4G, IMT Advance 4G LTE cho phép chuyển đổi từ từ từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu 4G sau IMT Advance hình 1.2[2] Ngồi LTE 3GPP 3GPP2 thực kế hoạch nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống 3GPP2 đưa UMB Chương trình khung kế hoạch năm 2000 1.2 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ LTE VÀ CÁC YÊU CẦU Mục tiêu LTE nghiên cứu phát triển hiệu hệ thống sau R6 RAN để triển khai vào năm 2010 Các nghiên cứu LTE nhằm giảm giá thành, nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng người sử dụng giảm thời gian trễ, giảm độ phức tạp hệ thống (nhất giao diện) quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu để dễ ràng triển khai khai thác hệ thống Hình 1.2 Hội thảo nghiên cứu LTE [2] 1.2.1 Các mục tiêu yêu cầu LTE Mục tiêu LTE đạt thông lượng người sử dụng cao đường lên xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao yêu cầu tương thích với mạng tồn 3GPP hay mạng khác Các mục tiêu LTE thể khía cạnh sau 1.2.1.1 Các khả LTE 1.2.1.2 Hiệu hệ thống 1.2.1.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai Các yêu cầu liên quan tới triển khai bao gồm kịch triển khai, tính linh hoạt phổ tần, triển khai phổ đồng tồn tương tác với mạng tồn khác 3GPP GSM, WCDMA/HSPA a Triển khai phổ tần b Các vấn đề tồn tương tác với 3GPP RAT 1.2.1.4 Quản lí tài ngun vơ tuyến Các u cầu LTE phải giảm thiểu mức độ phức tạp UTRA UE liên quan đến kích thước, trọng lượng dung lượng acqui (chế độ chờ chế độ tích cực) trạng thái UE đơn giản so với UMTS, đảm bảo 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 mạng truy nhập vô tuyến LTE, Node giao diện khác biệt kiến trúc mạng LTE WCDMA/HSPA Trong LTE khơng có Node tương đương với RNC Do khơng có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên đường xuống cho lưu lượng riêng người sử dụng việc thiết kế giảm thiểu số lượng Node mạng giảm độ phức tạp, quản lý 1.2.2.2 Lõi gói phát triển EPC Mạng lõi sử dụng cho WCDMA/HSPA LTE xây dựng phát triển mạng lõi GSM/GPRS Mạng lõi sử dụng cho WCDMA/HSPA gần với mạng lõi gốc GSM/GPRS ngoại trừ khác việc phân chia chức với RAN Tuy nhiên mạng lõi sử dụng để kết nối tới LTE RAN phát triển triệt để mạng lõi GSM/GPRS Vì nói có tên lõi gói phát triển EPC Hình 1.9 Kiến trúc mạng LTE [2] 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương xét tổng quan trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) LTE (E3G/4G-) Các cơng nghệ truy nhập HSPA cịn dựa công nghệ truy nhập vô tuyến CDMA WCDMA Có thể nói HSPA hậu 3G cịn LTE tiền 4G Trong chương xét đến lộ trình tiến lên 4G, cơng nghệ truy nhập vơ tuyến 4G gọi IMT2000 Adv Nhìn chung, mục đích then chốt cơng nghệ nhằm cải thiện thông số hiệu giảm giá thành so với công nghệ trước CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA Chương xét nguyên lí OFDM ứng dụng mơ hình vật lí OFDMA đường xuống LTE Nhược điểm điều chế OFDM phương pháp truyền dẫn đa sóng mang khác thay đổi cơng suất tức thời tín hiệu phát lớn dẫn đến tỉ số công suất đỉnh cơng suất trung bình lớn Để giải vấn đề này, LTE sử dụng số dạng điều chế cải tiến OFDM DFTS-OFDM Đây công nghệ hứa hẹn cho thông tin đường lên tốc độ cao 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 phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo tuyến tính tính phân tán kênh truyền dẫn vô tuyến gây Nguyên lý OFDM phân chia tồn băng thơng cần truyền vào nhiều sóng mang truyền đồng thời sóng mang Theo đó, luồng số tốc độ cao chia thành nhiều luồng tốc độ thấp Vì giảm ảnh hưởng trễ đa đường chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng 2.1.2 Hệ thống đơn sóng mang với cân miền tần số SC/FDE Như trình bày OFDM giải pháp tốt nhằm giảm ảnh hưởng truyền tín hiệu đa đường Khả đề kháng OFDM phát thông tin N sóng mang 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 n } {X i } {x i } {x p } Ts mod Ts mod TFFT  Ts mod P / N TFFT Hình 2.4 Cấu trúc phát thu SC-FDMA OFDMA [4] 2.1.3.2 SC-FDMA với tạo dạng phổ Tín hiệu SC-FDMA tạo phần trước có dạng hình chữ nhật Để giảm biến thiên tín hiệu SC-FDMA, giảm lượng tín hiệu ngồi băng, thực tạo dạng phổ thích hợp cho tín hiệu Sơ đồ cho Hình 2.9 Hình 2.9 Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiệu SC-FDMA [4] 2.1.4 Sắp xếp sóng mang Giống OFDMA, Thông lượng SC-FDMA phụ thuộc vào cách đặt ký hiệu thơng tin lên sóng mang Có hai cách xếp sóng mang máy đầu cuối Đó khoanh vùng (LFDMA: Localized SC-FDMA) phân bố (DFDMA: Distributed FDMA) Hình 2.12 Sắp xếp sóng mang (a) LFDMA (b) DFDMA [7] 2.1.5.1 Các kí hiệu miền thời gian IFDMA Ta biểu diễn tín hiệu IFDMA miền thời gian sau: x (m)   X i e N 1 i 0 Trong X Xi   n 0 j 2 i m N i  Q.n(0  n  P  1) khác (2.3) (2.4) Với m = P.q+p N = Q.P; ≤ q ≤ Q-1 ≤ p ≤ P-1 (2.5) 2.1.5.2 Các kí hiệu miền thời gian LFDMA Các kí hiệu LFDMA miền thời gian biểu diễn sau: x (m)   X i e N 1 X Xi   n 0 i 0 j 2 i m N i  n(0  n  P  1) khác Với m = Q.p+q N = Q.P; ≤ q ≤ Q-1 ≤ p ≤ P-1 (2.12) (2.13) (2.14) 2.1.5.3 Các kí hiệu miền thời gian DFDMA Các kí hiệu DFDMA miền thời gian biểu diễn sau: x ( m )   X i e N 1 i0 X Xi   n 0 j 2 i m N i  H n(0  n  P  1) khác Với m = Q.p+q; N = Q.P; ≤ q ≤ Q-1; ≤ p ≤ P-1 ≤ H < Q (2.21) (2.22) (2.23) 2.2 SC-FDMA OFDMA Từ hình 2.18 [7] thấy lược đồ khối phát OFDMA có nhiều điểm chung với SC-FDMA Chỉ có điểm khác biệt chúng diện khối DFT lược đồ khối SC-FDMA Vì lý mà SC-FDMA đơi cịn gọi DFTS-OFDMA (hay DFTP-OFDMA) 2.3 SC-FDMA DS-CDMA/FDE Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) với FDE kỹ thuật thay cho máy thu Rake, thông thường sử dụng DS-CDMA với cân miền tần số Một máy thu Rake bao gồm hiệu chỉnh, hiệu chỉnh thành phần tín hiệu đa đường Số tín hiệu đa đường tăng chọn lọc tần số kênh tăng độ phức tạp máy thu Rake tăng lên cần nhiều hiệu chỉnh Việc sử dụng FDE thay máy thu Rake làm giảm bớt vấn đề phức tạp hệ thống DS-CDMA Lược đồ khối hệ thống DS-CDMA cho hình vẽ 2.21 [7] {x n } Hình 2.21 Hệ thống DS-CDMA [7] 2.4 KẾT LUẬN Chương xét nguyên lí chung OFDM DFTS-OFDM OFDM phương pháp truyền dẫn đa sóng mang cho phép truyền dẫn vô tuyến băng rộng với tiết kiệm băng thông Vì sử dụng cho mơ hình vật lí OFDMA đường xuống LTE Tuy nhiên nhược điểm OFDM có PAPR cao nên DFTS-OFDM sử dụng cho mơ hình lớp vật lí SC-FDMA đường lên Chương LẬP BIỂU PHỤ THUỘC KÊNH Trong chương xem xét kĩ thuật đa truy nhập OFDMA cho đường xuống SCFDMA cho đường lên Dựa vào kĩ thuật đa truy nhập đề xuất phương pháp lập biểu phụ thuộc kênh nhằm tối ưu hóa tài nguyên cho người sử dụng Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống mang lại kết khả quan Tuy nhiên lập biểu phụ thuộc kênh đường lên SCFDMA lại cho thấy kết khác biệt so với đường xuống OFDM Chương trình bày lập biểu phụ thuộc kênh cho đường lên đường xuống Những thách thức hạn chế lập biểu đường lên đưa giải pháp cụ thể để khắc phục khó khăn 3.1 LẬP BIỂU ĐƯỜNG XUỐNG Với mục tiêu khai thác phân tập đa người sử dụng để cung cấp khả linh động tốt việc phân bổ tài nguyên (lập biểu), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép đa người sử dụng chia sẻ cách đồng sóng mang (OFDMA) Vấn đề cơng suất phân bổ sóng mang hệ thống OFDMA nghiên cứu cách trọng tâm Trong hệ thống LTE, tài nguyên lập biểu cho người sử dụng đưa miền thời gian (TD) miền tần số (FD) khả giúp tăng thơng lượng hệ thống Hình 3.1 Cấu trúc miền thời gian tần số đường xuống LTE [11] 3.1.1 Chỉ thị chất lượng kênh (CQI) Những người sử dụng đầu cuối cung cấp báo cáo thị chất lượng kênh (CQI) định kì dựa vào đánh giá tỉ lệ khuếch đại nhiễu (GIR) tín hiệu tham khảo đường xuống công suất biết Các báo cáo CQI truyền tải kênh điều khiển đường lên tới lập biểu đặt trạm gốc Báo cáo CQI người sử dụng bao gồm thông số đánh giá GIR dải băng Một giá trị GIR cao biểu thị cho băng tốt I tính tổng công suất thu Itot từ tất trạm sở trừ công suất thu từ trạm sở định hướng = − (3.1) Với N đại lược đặc trưng cho tạm âm, tỉ lệ cơng suất nhiễu – GIR tính theo cơng thức sau: = (3.2) Hình 3.2 Lập biểu đường xuống [11] Nếu phần tử giá trị tỉ lệ khuếch đại nhiễu (GIR) báo cáo thị chất lượng kênh người sử dụng nhân với công suất phân cho băng tương ứng với phần tử giá trị tỉ lệ tín hiệu tạp âm (SIR) băng Ta có tỉ lệ tín hiệu tạm âm là: = (3.3) 3.1.2 Các thuật toán lập biểu tài nguyên 3.1.2.1 Thuật tốn phân bổ tài ngun cơng tỉ lệ Trong thuật tốn lập biểu cơng tỉ lệ cho OFDMA, mức độ ưu tiên cho người sử dụng khối tài ngun tính tốn trước tiên sau người sử dụng với mức độ ưu tiên cực đại phân khối tài nguyên thuật toán tiếp tục phân khối tài nguyên tới người sử dụng với mức ưu tiên cực đại Quá trình tiếp tục tất khối tài nguyên phân tất người sử dụng phục vụ với khối tài nguyên Mức ưu tiên người sử dụng thứ k cho khối tài nguyên thứ j thời gian ‘n’ tính theo phương trình sau: Pk , j ( n )  RDR k,j (n ) / R k (n ) (3.4) 3.1.2.2 Thuật toán lập biểu tài nguyên dựa tái sử dụng tần số mềm Với mục tiêu giảm tiêu hao khuếch đại lập biểu lựa chọn tần số tăng tốc độ liệu biên ô, lược đồ tái sử dụng tần số mềm sử dụng Trong lược đồ này, hệ số tái sử dụng tần số trung tâm ô biền ô Băng tần số công suất cao khác ô lân cận Bộ lập biểu tần số thiết kế hoạt động theo cách người sử dụng biên ô có xác suất lớn việc sử dụng băng tần số với công suất cao người sử dụng tâm có xác suất cao việc sử dụng băng tần số với công suất thấp Chúng ta đưa số biến đổi nhỏ thuật tốn lập biểu cơng tỉ lệ theo công thức: Pk , j (n)  RDRk , j ( n) / Rk (n) * Fk , j (3.7) 3.1.2.3 Thuật toán lập biểu Round Robin Các nguồn tài nguyên vô tuyến phân bổ tới người sử dụng theo kiểu round-robin Người sử dụng tiếp cận phục vụ với toàn bổ phổ tần số cho giai đoạn thời gian đặc biệt sau nguồn tài nguyên thu hồi ngược trở lại phân tới người sử dụng giai đoạn thời gian khác Người sử dụng phục vụ trước xếp vị trí cuối hàng đợi phục vụ với tài nguyên tần số vòng Những yêu cầu đặt trí hàng đợi Lập biểu tiếp tục theo cách 3.1.2.4 Thuật toán lập biểu nhiễu tối đa Trong phương pháp này, người sử dụng lập biểu để sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến dựa tổng nhiễu tối đa Thuật toán hướng tới người sử dụng xếp theo hàng tùy theo nhiễu bị ảnh hưởng Mặt khác, người sử dụng với CQI tồi xếp vị trí lập biểu để sử dụng khối tài nguyên vật lý cho thời gian riêng Người sử dụng với điều kiện kênh CQI tồi sau lập biểu để sử dụng PRBs Người sử dụng xếp vị trí thứ K tìm thấy sử dụng phương trình sau: = argmax( ( ) ) (3.8) vector nhiễu tác động người sử dụng ô thời gian t 3.2 TỐI ƯU HÓA LẬP BIỂU TÀI NGUYÊN ĐƯỜNG XUỐNG TRONG CÁC HỆ THỐNG LTE Vấn đề phân bổ tài nguyên tới đa người sử dụng đường xuống hệ thống truyền thông tế bào LTE phức tạp Một lập biểu đa người sử dụng tối ưu (thông lượng tối đa) xem xét đánh giá cơng Các kết số cho thấy công hệ thống cải thiện với mối tương quan chặt chẽ sóng mang OFDMA 3.2.1 Mơ hình hệ thống Trong mơ hình hệ thống nghiên cứu vấn đề chia sẻ tài nguyên Một khối lập biểu bao gồm số, , kí hiệu OFDM liên tiếp L tổng số sóng mang ( ) ( )≤ số Cũng vậy, tỉ lệ mã kết sóng mang mang liệu cho kí hiệu , = 1,2,…, khoảng thời gian hợp với lược đồ mã hóa điều chế ∈ {1,2,…, }, kích thước MSC j tồn kí hiệu Tiếp theo, tốc độ bit tương ứng với khối lập biểu đơn cho công thức: ( ) = U số người sử dụng đồng truyền dẫn (TTI) Thêm vào đó, ( ) (3.9) tổng số khối lập biểu sẵn có khoảng thời gian số tập (CQI) chúng báo cáo người sử dụng i khối lập biểu mà thị chất lượng tín hiệu 3.2.2 Tối ưu hóa người sử dụng Trong tối ưu hóa người sử dụng, mục tiêu để xác định số tỉ lệ lược đồ mã hòa điều chế (MCS), phân, ∗ tập khối lập biểu SB để bố trí tới người sử dụng i để tối đa hóa tỉ lệ bit , cho tập chất lượng kênh { , , Hình 3.2: Mối quan hệ Đặt ( )= ∈ ( , , ) = } hình 3.2 [11] , ∈ , , , , , [11] ,…, , ( ) vector lược đồ mã hóa điều chế MCS cho người sử dụng I, đó: , = 0, 1, ế ườ ụ ế ườ đượ đượ ℎô ụ ℎâ ℎâ ổ ổ tối ưu tối đa hóa tổng tỉ lệ bit cho người sử dụng I, thực vấn đề liên quan: , ( 0) : ( , ) max , (3.11) ∈ Với giả thiết: ( ) , ,∀ , , ∈ {0,1},∀ , (3.12) Công thức (3.11) cho phép tỉ lệ bit lựa chọn cho khối lập biểu n , hỗ trợ Tuy nhiên có lẽ trường hợp người sử dụng i phân nhiều khối lập biểu khoảng thời gian truyền dẫn Rằng buộc (3.12) đảm bảo MCS cho người sử dụng i nhận giá trị đơn ( ) Vấn đề tối ưu hóa dễ dàng giải sau Đặt ( ) , ( ) với phần tử thứ (n,j) j ( ) = , = 1,2,…, ( , , ( ) ma trận × ) Biểu thị tổng phần tử cột thứ bởi: ( ) ( ) , = (3.13) Sau lược đồ mã hóa điều chế cho người sử dụng i là: ∗ ( ) Và tỉ lệ bit tối đa tương ứng ∗ công thức: = max ( ) (3.14) ( ) khối lập biểu tới người sử dụng I cho Tập = , , 3.2.3 Bộ lập biểu tối ưu thông lượng ≥ ∗ , ∈ (3.15) Trong phần này, vấn đề lập biểu đa người sử dụng đề cập, nguồn tài nguyên vô tuyến chia sẻ để tối ưu hóa tổng thơng lượng hệ thống 3.2.3.1 Lập biểu tối ưu hóa đa người sử dụng Nếu có nhiều người sử dụng, việc giải vấn đề tối ưu hóa trở nên phức tạp Thêm vào đó, khối lập biểu chia sẻ hầu hết tới người sử dụng , kênh ∈ , = ∑ , , (3.16) , Là tốc độ tỉ lệ lỗi bít khối lập biểu n lựa chọn cho người sử dụng j cho chất lượng ( )= , , , ∈ {0,1} định nhị phân thay đổi Trong đó, , ( , ) Với điều kiện: ( ) , = (3.17) đưa để đảm bảo rằng, MCS cho người sử dụng I nhận giá trị ( ) Công thức (3.16) cho phép tỉ lệ bit lựa chọn cho khối lập biểu n nhỏ , hỗ trợ, trường hợp người sử dụng I chia sẻ nhiều khối lập biểu suốt khoảng thời gian truyền tải TTI Từ công thức (3.16) cơng thức (3.17), thấy rằng, khối lập biểu (SB) n lựa chọn cho người sử dụng i MCS cho người sử dụng i thỏa mãn ∗ ≤ , ( , ) mơ tả hình 3.3 [12] ∗ lựa chọn Các vấn đề tối đa hóa tổng tỉ lệ bit cho tất người sử dụng tính theo cơng thức : ( P1) : max ∑ , ∑ ∈ ∗ Hình 3.3 Lựa chọn MCS SB n lựa chọn ngược lại ∑ , ≤ ( , ) , , ( , , (3.18) ) không chọn Với giả thiết (3.17) , Trong = , công , = 1,…, , = 1, …, , (3.19) ∈ {0,1},∀ , , , thức ( ) ∈ = 1, , (3.20) = (3.18), , , , = 1,…, , ∈ , định nhị phân, với giá trị SB n phân tới người sử dụng i trường hợp khác Mục đích cơng thức (3.18) để chọn giá trị tối ưu cho A B để tối đa hóa tỉ lệ bit chung ∑ ∑ ∈ , , , ( , ) 3.2.3.2 Mơ hình tuyến tính hóa Vấn đề (P1) khơng tuyến tính điều kiện , công thức (3.18) Mặc dù giải , pháp thực sử dụng kĩ thuật tối ưu hóa khơng đảm bảo Để tránh khó khăn này, vấn đề đươc truyền tải vào vấn đề tuyến tính tương đương thiết bị phụ trợ ,, = , , Sau đó, vấn đề (P1) tuyến tính hóa sau: P1′ : max ∑ , , Theo công thức (3.17), (3.19), (3.20) ,, ,, ≤ ≤ ∑ ∑ , ( , ) ,, (3.21) (3.22) , , , ∈ , (3.23) ,, Trong M giá trị thực dương lớn ≥ , − 1− (3.24) , 3.2.3.3 Lập biểu cận tối ưu đa người sử dụng Trong công thức lập biểu tối ưu (P1) (P1’), lược đồ mã hóa điều chế (MCSs), khối lập biểu (SBs) người sử dụng chia sẻ chung Để giảm phức tạp tính tốn, lập biểu cận tối ưu thực chia sẻ tài nguyên hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu tiên, khối lập biểu phân tới người sử dụng có tốc độ bít cao Giai đoạn hai, lược đồ mã hóa điều chế tốt cho người sử dụng xác định Mục đích lập biểu cận tối ưu để phân bổ tập rời khối lập biểu tới người sử dụng, qua giảm vấn đề tối ưu hóa đa người sử dụng chung vào vấn đề tối ưu hóa đơn người sử dụng song song U Chúng ta gọi vấn đề hai giai đoạn vấn đề (P2) 3.2.4 Bộ lập biểu tối ưu với công tỉ lệ Trong phần này, xem xét lập biểu tỉ lệ cân đối để nhằm cải thiện công người sử dụng 3.2.4.1 Lập biểu tối ưu hóa đa người sử dụng Vấn đề tối ưu hóa chung đưa vào cơng thức sau: (P3): max ∑ , ∑ ∑ , ( , , ( )) , ( ( ) ) (3.26) ( ) tính theo phương trình sau: Theo cơng thức (3.11), (3.19), (3.20) ( ) , ậ 1, ( )= ể ằ ỉ ệ ỉ ệ ố đ ô ể ậ (3.27) ( − 1) tỉ lệ bit trung bình thời Trong công thức (3.20), ( ) = ( − ) ( − 1) + điểm t-1 [0,1], ( ) tỉ lệ bit phân tới người sử dụng i thời điểm t Trong vấn đề (P3), , = , , , = 1,…, , = , = 1,…, , = 1,…, , ( ) , giá trị định nhị phân, lấy giá trị khối lập biểu n phân tới người sử dung I trường hợp cịn lại Vấn đề (P3) khơng tuyến tính tích số , , cơng thức (3.26) Để giải vấn đề (P2) biến đổi vào vấn đề tuyến tính tương đương (P3’) việc đưa ,, = , , , ví dụ: (P3’): max , , ∑ ∑ ∑ ( , , ( )) ,, ( ) (3.28) Theo (3.11), (3.19), (3.20) kết hợp với (3.22) đến (3.24) vấn đề (P3’) giải 3.2.4.2 Lập biểu cận tối ưu đa người sử dụng Bộ lập biểu đa người sử dụng cận tối ưu bao gồm hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu tiên, lập biểu tập hợp , ( )= , ( , ( )) | ∈ (3.29) số tỉ lệ tối đa, cho khối lập biểu (SB) cho người sử dụng i thời điểm t Những người sử dụng sau xếp tùy theo giá trị số ưu tiên chúng, { ( , ) ( ) = , ( , ậ ể ) , ậ , = 1,2,…, }, ỉ ệ ô ể ằ g(.) hàm phản hồi tỉ lệ bit cao người sử dụng i hỗ trợ ( ) ( ) phần trước, ví dụ ∗ ( ) = , Để cho thuận tiện, giả thiết { , ,…, ( ) ≥ ( ) ≥⋯≥ ( ) (3.30) ỉ ê ố đ , ( ) , là phiên xếp } ( ) ↦ hàm đưa số người sử dụng đương xếp j tới sau số người sử dụng ban đầu i Trong giai đoạn 2, vị trí tài nguyên thực dạng chuỗi, người sử dụng thời điểm tùy theo trật tự người sử dụng tiếp theo: ( 1) , ( 2) ,… Do đó, bắt đầu với người sử dụng ( 1) tập ban đầu khối lập biểu (SBs), số lược đồ mã hóa điều chế (MCS) tập hợp SBs, ( ) xác định miêu tả phần 3.2.2 phân tới người sử dụng ( 1) Các khối lập biểu (SBs) lại, ( ) = ( ) − ( ) , sau tạo sẵn sàng tới người sử dụng ( 2) Quá trình phân bổ nguồn tài nguyên tiếp tục tất khối lập biểu phân bổ hết 3.2 LẬP BIỂU ĐƯỜNG LÊN Kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang đơn (SC-FDMA) cho truyền dẫn đường lên thu hút nhiều quan tâm tỉ lệ cơng suất đỉnh cơng suất trung bình (PAPR) thấp so với kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) Trong 3GPP LTE, SC-FDMA OFDMA lựa chọn cho truyền dẫn đường lên đường xuống tương ứng Các tín hiệu SCFDMA thực sử dụng OFDMA trải phổ biến đổi fourier rời rạc (DFT), DFT áp dụng để biến đổi kí hiệu liệu đầu vào miền thời gian tới miền tần số trước xử lý chúng điều chế OFDMA Hai lược đồ MIMO cho truyền dẫn đường lên SC-FDMA nghiên cứu 3GPP LTE, là, MIMO đa người sử dụng MIMO đơn người sử dụng Đối với MIMO đơn người sử dụng, eNB lập biểu người sử dụng đơn vào khối tài nguyên; MIMO đa người sử dụng, thiết bị đầu cuối đa người sử dụng cho phép để truyền dẫn đồng khối tài nguyên Cả MIMO vòng lặp mở MIMO vịng lặp đóng nghiên cứu Tuy nhiên, sau cung cấp khuếch đại ma trận phân tập, cơng tốt nhiều 3.2.1 Chỉ thị chất lượng kênh (CQI) đường lên Đối với đường lên, giá trị tỉ lệ khuếch đại nhiễu băng cho người sử dụng thực trạm sở lấy từ khuếch đại băng người sử dụng đó, G khếch đại băng người sử dụng lập biểu Gsch từ tín hiệu tham khảo đường lên Người sử dụng lập biểu bố trí ô người sử dụng người sử dụng băng cho truyền dẫn khoảng thời gian truyền tải trước (TTI) Cơng suất tín hiệu trạm sở nhận từ người sử dụng bố trí tính tốn nhân Gsch với cơng suất truyền dẫn người sử dụng lập lịch Psch Psch biết trạm gốc phân bổ tới người sử dụng lập lịch trạm sở khoảng thời gian truyền dẫn trước (TTI) Nhiễu đường lên băng I tính trừ cơng suất tín hiệu nhận từ người sử dụng Gsch Psch từ tổng nguồn cơng suất tín hiệu nhận từ người sử dụng tất ô Itot − = (3.31) Tỉ lệ khuếch đại nhiễu (GIR) đường lên có cơng thức GIR đường xuống = (3.32) 3.2.1 Mơ hình hệ thống Chúng ta xem xét hệ thống đa truy nhâp tế bào với anten thu truyền dẫn đơn đầu cuối người sử dụng thứ i, = 1,2,…, eNB anten tổng số người sử dụng hệ thống Chúng ta nghiên cứu hệ thống MIMO đa người sử dụng mà K người sử dụng ( ) phục vụ khe thời gian, giả thiết K= K< Mơ hình hệ thống cho máy thu phát MIMO dựa SC-FDMA 3.2.2 Lập biểu đa người sử dụng tần số không gian Truyền dẫn MIMO đa người sử dụng FDMA khoanh vùng ( Dữ liệu người sử dụng truyền dẫn sóng mang liên tiếp), Mỗi khung truyền dẫn đường lên SC-FDMA phân chia vào khối tài nguyên để dễ dàng lập biểu gói nhận biết kênh đa người sử dụng Đặt , , tập hợp số khối tài nguyên phân tới người sử dụng i khung độ dài tổng số khối tài nguyên khung | | Khi = , , Các khối tài nguyên lân cận phân bổ tới người sử dụng khung Đặt ∅ tập j K người sử dụng lựa chọn từ người sử dụng hệ thống Φ toàn tập hợp K người sử người sử dụng, ∅ Φ,∀j ϵ {1,2,…,|Φ|}, | Φ| kích thước Φ dụng lựa chọn từ tổng | Φ| = K K Đặt ( ∅) hàm hiệu dụng cho khối tài nguyên thứ j Mục tiêu để tối ưu hóa hàm hiệu dụng lựa chọn nhóm người sử dụng với điều kiện kênh thích hợp tối ưu hóa tập hợp khối tài nguyên phân bổ tới người sử dụng khung Vấn đề tối ưu hóa thể sau: max∀Φ;∅: , , ,∀ ∅ Điều kiện 1: ⋃∀ Điều kiện 2: ∅ , ∑ − | | (∅) , = , , , = 1, ∀ 1,2,…, , −1 , (3.46) Sau nhóm người sử dụng tốt cho khối tài nguyên xác định, sẵn sàng cho bước thứ hai Đặt tập khối tài nguyên phân bổ tới nhóm người sử dụng thứ i với , khối tài nguyên liền kề q thêm vào tập , khung Đặt Λ khoảng thời gian k nhóm người sử dụng i phân bổ , thay cho , , gia số tỉ lệ Sau phân bổ khối tài nguyên tham lam dựa tren gia số tỉ lệ đưa chúng vào tập nhóm người sử dụng sẵn dùng Bước 1: Thêm tất khối tài nguyên sẵn dùng Q cho tập = {1,2,…, } Bước 2: Cho khối tài ngun, tìm nhóm người sử dụng tốt theo gia số tỉ lệ cao Với nhóm người sử dụng ∗ khối tài nguyên ∗ , ta có biểu thức thể công tỉ lệ: [ ∗, ∗] = Λ , max , Bước 3: Với nhóm người sử dụng gia số tỉ lệ cực đại Λ ∗ , ∗ ∗ , tìm khối tài nguyên lân cận ∗ ∗ Bước 4: Lựa chọn nhóm người sử dụng cặp khối tài nguyên lân cận bổ sung [ℎ ∗ , đại Λ ∗ , ∗ tất nhóm người sử dụng sẵn dùng khối tài nguyên Bước 5: Xóa khối tài nguyên ∗ ∗ từ tập khối tài nguyên sẵn dùng tập nhóm người sử dụng sẵn dùng từ tập ∗ ], (3.48) − ∗ có có gia số tỉ lệ cực nhóm người sử dụng tương ứng Lập lại bước 3, 4, tất khối tài nguyên phân bổ hết 3.4 KẾT LUẬN Thông qua chương ta xét số công nghệ sử dụng công nghệ then chốt hệ thông thông tin di động 3G tăng cường 4G: lập biểu biểu phụ thuộc kênh cho đường lên đường xuống Lập biểu phụ thuộc kênh giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho người sử dụng cho phép người tiêu dùng sử dụng nhiều hệ thống đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ KẾT LUẬN Nội dung luận văn đưa nhằm giải vấn đề tối ưu hóa tài ngun vơ tuyến cho người sử dụng thông qua việc khắc phục ảnh hưởng can nhiễu từ môi trường truyền dẫn nâng cao hiệu suất thông lượng truyền tải tới thiết bị đầu cuối ngược lại Để giải vấn đề này, lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống đường lên đưa xem xét Do công suất phát từ thiết bị đầu cuối tới trạm sở thường bé khơng ổn định nên tốn lập biểu phụ thuộc kênh đường lên thường khó khăn phức tạp nhiều so với toán lập biểu cho đường xuống Từ cơng thức thuật tốn trình bày chương ba để đưa ra giải pháp lập biểu tốt hướng tới nhu cầu mục đích người sử dụng Chính từ băn khoăn thế, luận văn đưa xem xét gồm phần sau: + Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống (OFDMA) - Đưa thuật toán lập biểu sử dụng phổ biến: Thuật toán Round Robin, thuật toán tái sử dụng tần số mềm hơn, thuật tốn cơng tỉ lệ thuật tốn nhiễu tối đa - Dựa cở sở thuật toán đưa cơng thức tốn để tối ưu hóa đơn người sử dụng - Tối ưu hóa đa người sử dụng tối ưu hóa đa người sử dụng cận tối ưu + Lập biểu phụ thuộc kênh đường lên (SC-FDMA) - Ứng dụng thuật toán đề cập lập biểu đường lên để tối ưu hóa đa người sử dụng thơng qua cơng thức tính toán toán học với việc sử dụng kĩ thuật MIMO SC-FDMA Dựa kết đạt hướng nhiên cứu luận văn là: Thứ nhất, nghiên cứu phương pháp để cải thiện thông lượng truyền dẫn hệ thống SCFDMA Thứ hai, tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật SC-FDMA với chế lập lịch thông lượng tốt điều kiện phục vụ cho đầu cuối di chuyển với tốc độ thấp cao ... sau: + Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống (OFDMA) - Đưa thuật to? ?n lập biểu sử dụng phổ biến: Thuật to? ?n Round Robin, thuật to? ?n tái sử dụng tần số mềm hơn, thuật tốn cơng tỉ lệ thuật to? ?n nhiễu... khiển đường lên tới lập biểu đặt trạm gốc B? ?o cáo CQI người sử dụng bao gồm thơng số đánh giá GIR dải b? ?ng Một giá trị GIR cao biểu thị cho b? ?ng tốt I tính tổng cơng suất thu Itot từ tất trạm sở trừ... biểu Round Robin Các nguồn tài nguyên vô tuyến phân b? ?? tới người sử dụng theo kiểu round-robin Người sử dụng tiếp cận phục vụ với to? ?n b? ?? phổ tần số cho giai đoạn thời gian đặc biệt sau nguồn