Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Đánh giá hiệu quả các phương pháp lập biểu trong phân tập đa người dùng

Trong môitrường fading không đồng nhất, PF Scheduling có khả năng tạo ra sự tương nhượnggiữa tong dung lượng của hệ thống và độ công bằng giữa các user.. Khác với các loại phân tập truyề

PHAN TẬP DA USER VÀ CÁC LOẠI SCHEDULING

Mô hình hệ thong - G- k1 1S SE1 9 5181 1 111 1111 511cc rkg 23 2.5 Các phương pháp chọn user (Scheduling) << + ss*s+2 24 2.5.1 Round Robin Scheduling - - - + + +1 10 231111111 11531 1111111111155 x2 25 2.5.2 Greedy Scheduling - - ô<< c1 0110101010 1111111101101 11 111111 1v sa 26 2.5.3 PF Scheduling (Proportional Fair Scheduling) << <2 28 2.5.4 WPF Scheduling (The Weighted Proportional Fair Scheduling)

Trong luận văn, chúng ta sẽ tập trung khảo sát hướng Downlink trong một cell của hệ thông di động tế bao TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian) Cell khảo sát bao gồm 1 BS và K user như hình 2.2.

Hình 2.2: Hướng Downlink của hệ thong da user.

Với hệ thống TDMA thì trong mỗi TS chỉ có một user được kết nối đến BS Giả sử, kênh truyền được ước lượng tại K user và truyền hồi tiếp về BS hoàn hảo, không bị lỗi Mặt khác, ta cũng giả sử băng thông kênh truyền cho mỗi user là đủ nhỏ để có thể xem là kênh truyền phăng về mặt tần số và kênh truyền là kênh truyền fading chậm Do kênh truyền fading chậm nên giá trị SNR được ước lượng tai user (truyền hỏi tiếp về BS) sẽ không thay đổi trong khoảng thời gian một TS Công suất phát tại BS là không đôi với tât cả các TS.

(admitted) h : connections : mx+ F—>L Wireless channel User 2

Admission Resource oqqs6 control allocation

Hình 2.3: Sơ đô khối cơ ban hướng downlink của hệ thong TDMA.

Trong sơ đồ khối cơ bản hướng downlink của hệ thống TDMA, hình 2.3, BS gdm các khối cơ ban:

- Khối Admission control: thực hiện việc điều khiển chung đối với các khối khác trong BS.

- Khối Buffers: bộ đệm dữ liệu trên BS trước khi truyền đến các user.

- Khối Resource allocation: làm nhiệm vụ cấp phát tài nguyên (như: tần số, công suất phát, mã hóa ) cho các user.

- Khối Seheduler: chọn user được truyền trong mỗi TS Các phương pháp scheduling của khối Scheduler sẽ được khảo sát trong luận văn nay.

2.5 Các phương pháp chon user (Scheduling):

Scheduling là phương pháp cho phép nhiều user cùng chia sé một tài nguyên (resource) chung Ban dau, scheduling được sử dụng cho việc phân phát tai nguyên CPU cho các tác vụ trong hệ điều hành Ngày nay, các giải thuật được phát triển cho hệ thống này được ứng dụng cho lĩnh vực không dây để schedule các ứng dung data (data packet) đến các user Trong vô tuyến, scheduling phân phat tài nguyên như: công suất

CHƯƠNG 2 24ủ PHAN TẬP ĐA USER VÀ SCHEDULINGR phat, băng thông, loại điều chế, cho các user để tối ưu cho một hay một vài tiêu chuẩn như: thông lượng (throughput), độ trễ (delay) v.v Cụ thể, luận văn này sẽ khảo sát các loại scheduling cơ hội khác nhau được sử dụng để phân phối TS cho các user trong mot cell của hệ thống TDMA Qua đó, ta thay được độ lợi phan tap da user, tong dung lượng của toàn hệ thong và mức độ trễ của các user ứng với từng loại scheduling.

RR Scheduling là phương pháp scheduling co bản dau tiên Trong phương pháp này, các user đang hoạt động trong hệ thống được truyền tuần tự theo các TS cố định mà không quan tâm đến chất lượng kênh truyền của nó Với việc mỗi user sẽ được cấp các TS cô định trong mỗi Frame, giải thuật nay cung cấp độ công bang cao nhất về giao diện vô tuyến Do đó, thời gian trễ của các user là giỗng nhau nhưng dung lượng toàn hệ thống sẽ không tối ưu nếu nhiều user có chất lượng kênh truyền không tốt.

Hình 2.4: Cấu trúc Frame và TS của RR Scheduling.

Cơ chế hoạt động của một hệ thống gồm IBS và K user sử dụng RR Scheduling được minh họa trong hình 2.4 Tại BS, dữ liệu sẽ được chia theo các Frame, mỗi Frame sẽ được chia thành K TS Mỗi TS sẽ được phân bổ cho một user cỗ định Khi đó, dung lượng của toàn hệ thống trong khoảng thời gian K TS sẽ bằng tổng dung lượng của K user.

Khi đó, khoảng thời gian trễ của các user bằng nhau và băng (K-1)xT,.

2.5.2 Greedy Scheduling (SNR cực đại):

Trong phương pháp Round Robin, tong dung lượng của hệ thông không tối ưu do các user van được chọn dé truyền mặc dù chất lượng kênh truyền của nó không tốt tai thời điểm đó Một ý tưởng mới nảy sinh, chúng ta có thé cực đại tong dung lượng của toàn hệ thống bang cach truyén dir liệu cho user có độ lợi kênh truyền lớn nhất trong mỗi TS [8] Phương pháp scheduling đó được gọi là Greedy Scheduling hay Max SNR

C(t) = log, (1+ max{h, (t)}xP,/0°) bits / symbol (21)

User ước lượng kênh truyền r

User hồi tiếp SNR về BS r

BS truyền data cho user có max SNR

CHƯƠNG 2 26ủ PHAN TẬP ĐA USER VÀ SCHEDULINGR

Greedy Scheduling được thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: BS phát tín hiệu pilot chung đến tất cả các user.

- Bước 2: Các user nhận tín hiệu pilot và ước lượng kênh truyền của mình.

- Bước 3: Các user truyền thông tin kênh truyền của mình về BS.

- Bước 4: BS chon user có giá tri SNR cao nhất dé truyền trong TS.

Với môi trường fading đồng nhất, xác xuất có kênh truyền tốt của các user gần như nhau như hình 2.5 thì phương pháp Greedy Scheduling vừa đạt được độ lợi đa user, vừa đảm bảo sự công bằng giữa các user nếu khảo sát trong một khoảng thời gian đủ dài.

Requested nites in bits sf Hz — œ — a —_

Hình 2.5: Đặc tính thong kê kênh truyền của 2 user trong môi trường fading dong nhất.

Trong hình 2.6, có thể do khoảng cách từ BS đến các user khác nhau làm cho một user luôn có kênh truyền tốt hơn user còn lại Nếu sử dụng Greedy Scheduling sẽ dẫn đến những user có kênh truyền không tốt sẽ bị delay cao, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vu Dé khắc phục nhược điểm này, [8] và [16] đã giới thiệu một phương pháp scheduling mới đó là PF Scheduling PF chon user dựa vào ty số giữa tốc độ có thê đạt được hiện tại R,[m] và lưu lượng ma user k đã nhận trước đó T;,[m] dam bao các user có kênh truyền không tốt cũng có cơ hội được truyền.

Requested rates in PHLs/s/Hz

Hình 2.6: Đặc tinh thông kê kênh truyén của 2 user trong môi trường không dong nhát.

2.5.3 PF Scheduling (Proportional Fair Scheduling):

Thuật toán scheduling này được sử dung nhằm dat được tổng dung lượng hệ thống cao mà vẫn đảm bảo tương đối công băng giữa các user Thuật toán này thực hiện theo nguyên tac như sau BS tính lưu lượng truyền trung bình T„[m] đến mỗi user trong hệ thống Trong TS thứ m, BS sẽ nhận được các giá trị tốc độ yêu cầu R„[m] từ

K user (tính dựa theo SNR), với k= 1, 2, , K Thuật toán sẽ chon user k* có tỷ số

An lớn nhất trong tất cả các user đang hoạt động của hệ thống Ty[m] được tính theo k công thức:

CHƯƠNG 2 280 PHAN TẬP DA USER VA SCHEDULINGR trong đó: £„ dai diện cho mức độ cập nhật Ty[m] Với £„ càng lớn thi phan trăm anh hưởng của R|?n] càng nhỏ.

Giá trị lớn nhất của thông số £„ lat, = 0, khi đó, theo công thức (22) PF Scheduling quyết định chon user dựa vao giá trị SNR tức thời Nghia là t, = 00, PF

Scheduling sé trở thành Greedy Scheduling Khi £„ = 1, PF Scheduling trở thành RR

Scheduling, phân phối các TS tuần tự cho các user Vậy, t, là thông số tao sự tương nhượng giữa mức độ công bằng và thông lượng.

User ước lượng kênh truyền

User hồi tiếp SNR về BS

BS truyền data cho user có max ——

PF Scheduling được thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: BS phát tín hiệu Pilot chung đến tất cả các user.

- Bước 2: Các user nhận tín hiệu Pilot, ước lượng kênh truyền của mình.

- Bước 4: Tính toán các giá trị R,[m], và Tự|m].

- Bước 5: BS chon user có gia tri CHỈ]

Tx[m] cao nhat dé truyén trong TS.

2.5.4 WPF Scheduling (The Weighted Proportional Fair Scheduling):

Trong kênh truyền thực tế, nếu sử dung PF Scheduling thi các user có điều kiện kênh truyền thay đổi nhiều nhất sẽ ít có cơ hội chiếm được TS nhất [4] Đề khắc phục nhược điểm nay, [5] đã đề ra một phương pháp scheduling mới đó là WPF, được gọi là

PF Scheduling có trọng số Nó bao gồm 2 scheduling thành phần: WRR (Round-Robin có trọng số) va PF Scheduling.

WPE Scheduling được thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: BS phát tín hiệu pilot chung đến tất cả các user.

- Bước 2: Các user nhận tín hiệu pilot và ước lượng kênh truyền của mình.

- Bước 4: BS phân chia các user có SNR xâp xi nhau vào các nhóm gọi là các zone.

- Bước 5: BS chon zone được phục vụ dựa vào WRR Scheduling.

- Bước 6: Trong zone đã chọn ở bước 5, BS chọn user để truyền dir liệu dựa vào

CHƯƠNG 2 308 PHAN TẬP DA USER VA SCHEDULINGR

User ước lượng kênh truyền

User héi tiép SNR vé BS

BS chia cac User vao cac Zone

BS chon Zone phuc vu theo WRR Scheduling

BS chon User trong Zone theo PF Scheduling

Kết thúc Đầu tiên, BS sẽ phat pilot đến tat cả các user Các user sẽ ước lượng kênh truyền va gửi thông tin kênh truyền về BS Dựa vào giá tri SNR, các user được chia vào các zone khác nhau Thông qua giải thuật WRR Scheduling, BS sẽ chọn zone được phục vụ trong mỗi TS Với các user trong zone được chọn này, BS chọn user phục vụ bang giải thuật PF Scheduling Do SNR trung bình của các user trong mỗi zone là xap xi bang nhau, ta có thé xem fading trong mỗi zone là gần đồng nhất Do đó, sử dung PF trong mỗi zone vừa làm tăng tong dung lượng của mỗi zone vừa đảm bảo công bang g1ữa các user trong zone.

Hình 2.7: Cac user được chia thành 3 zone.

Hình 2.7 minh hoa một cell được chia thành 3 zone, giả sử fading trong mỗi zone là đồng nhất Tùy theo yêu cầu phân phối tai nguyên ta có thé điều chỉnh thông số của WRR Scheduling dé phân chia tài nguyên giữa các zone.

Sau đây là một số thông số minh họa:

- WPF(1,1,1): phân phối đều các TS cho cả 3 zone với xác suất là Prone 1 Prone2 = Pzones = 1/3 Việc phân phối đều này đảm bảo sự công bang giữa các zone, lam cho các user trong hệ thống sẽ công bang hơn nhưng sẽ làm giảm dung lượng của toàn hệ thống.

CHƯƠNG 2 32ủ PHAN TẬP ĐA USER VÀ SCHEDULINGR

- WPF(1,1,4): phân phối TS cho zone 3 gấp 4 lần zone 1 va zone 2 với xác suất Prone1 = Pzonea = 1/ 6° Pzone 3 = 2/ 3 Các TS được tap trung cho các user trong zone

3 góp phan tăng dung lượng của các user ở vùng xa (vùng biên) của cell Điều đó đồng nghĩa với việc tổng dung lượng của toàn hệ thống sẽ giảm đáng kể, nguyên nhân là do các user ở vùng biên thường có kênh truyền không tốt.

Tải thông tin hồi tiếp từ các user về BS c- ck cv vs ree 33 2.7 Các ứng dụng trong thực tế của phân tập da usSer - 5 sex sex sxe 34 Chương 3: KET QUA MÔ PHÒNG - G1 1v vn ng nưyg 36 3.1 Độ lợi phân tập da user 5< c G00 1110110110 311111111101 11 111111111113 x2 36 3.2 Môi trường fading đồng nhất va fading không đồng nhất 38 3.3 Ảnh hưởng của các phương pháp Scheduling trong môi trường

Trong các mục trước, chúng ta đã khảo sát các loại scheduling cơ hội được sử dụng dé tăng tổng dụng lượng hệ thống Điều này chỉ có thé đạt được khi giá trị SNR của tất cả các user trong hệ thống được biết tại BS Do đó, thông tin kênh truyền (CSI) của các user phải được ước lượng và hồi tiếp về BS Việc hồi tiếp thông tin kênh truyền một cách chính xác (không lượng tử) cho mỗi user cần một symbol có chiều dài bit lớn Lưu lượng tải hồi tiếp tăng rất nhanh khi số lượng user trong hệ thống tăng lên. Đề giảm thông tin hồi tiếp trong hệ thống, các nghiên cứu trong các tài liệu tham khảo [6], [18], [19] và [21] đã dé ra hai giải pháp co bản như sau:

- Lượng tử hóa thông tin SNR trước khi các user hồi tiếp về BS bằng cách chia các khoảng SNR tức thời thành K mức như hình 2.8 Giá trị Q„ tương ứng với các giá trị SNR tức thời năm trong khoảng từ q„ đến q,.¡.

Hình 2.8: Các mức lượng tu cua SNR.

- Chi có những user có SNR tức thời lớn hơn một ngưỡng nhất định mới hồi tiếp thông tin kênh truyền về BS Cách này giúp giảm lượng thông tin hồi tiếp cần xử lý tại

BS từ đó làm tăng tốc độ xử lý của bộ Scheduler tại BS Đề dat được hiệu quả phân tập đa user hệ thống cần chọn ngưỡng SNR sao cho hợp lý [6] [19].

Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn này, chúng ta giả sử BS có day đủ và chính xác thông tin kênh truyền của tất cả các user trong hệ thống.

2.7 Các ứng dụng trong thực tế của phân tập đa user:

Trong những năm gan day, các mạng di động tế bào đang chuyển nhanh từ dịch vụ thoại là chủ yếu (hệ thống GSM và CDMA) sang dịch vụ data với sự xuất của hệ thống 3G và LTE (4G).

Hình 2.9: Sự phái triển của hệ thông di động tế bào.

34ủ PHAN TẬP ĐA USER VÀ SCHEDULINGRCHƯƠNG 2

Trong hệ thống 3G, tốc độ download data tăng đáng kế với chuẩn HSDPA [11].Với HSDPA, BS chia thời gian thành những TS va dùng các scheduling cơ hội dé chọn user được phục vụ trong mỗi TS Ngoài ra, các scheduling cơ hội, mà cụ thể là PFScheduling, còn được sử dung trong chuẩn IS-856 (CDMA 2000 EV-DO) nham tận dung ưu điểm của phân tập đa user trong kha năng tang dung lượng của hệ thống [6].

KET QUA MÔ PHONG kak

Trong chương trước, chúng ta đã khảo sát các phương pháp scheduling khác nhau như: Round Robin, Greedy, PF, WPF Tiếp theo, chúng ta sẽ tiến hành mô phỏng hệ thống bằng phần mém Matlab dé minh hoa cho các phan lý thuyết đã trình bày.

3.1 Độ lợi phân tập đa user (được định nghĩa trong mục 2.2):

Trong hình 3.1 là thông lượng (throughput) trung bình trong một TS của hệ thống

15 user khi sử dung Round Robin Scheduling va Greedy Scheduling với các mức SNR khac nhau.

* Cac thông số mô phỏng:

- SỐ lượng user trong hệ thong: 15 user.

- Công suất phát chuẩn hóa tại BS: P=1.

- SNR trung bình: SNR=(-5, 0, 5, 10, 15, 20) dB.

- Phuong phap scheduling su dung: Round Robin va Greedy Scheduling.

Hình 3.1 cho thay thông lượng trung bình trong một TS khi sử dung Greedy Scheduling luôn tốt hon Round Robin Scheduling nên đảm bảo dung lượng hệ thông cũng sẽ cao hơn Nguyên nhân là do Greedy Scheduling luôn chọn user có SNR tức thời tốt nhất trong mỗi TS còn RR Scheduling chọn user tuần tự không quan tâm đếnSNR của kênh truyền.

Hình 3.1: Thông lượng trung bình cua hệ thông (15 user) sử dung RR va Greedy

Scheduling. Độ lợi phân tập càng cao khi số lượng user trong hệ thống cảng lớn Càng có nhiều user thì xác xuất để chọn được user có SNR tức thời tốt sẽ tăng lên Hình 3.2 là độ lợi phân tập đa user được vẽ băng cách lập tỷ số giữa dung lượng hệ thống đạt được khi sử dung Greedy Scheduling với dung lượng của hệ thông sử dung RR Scheduling.

* Các thông số mô phỏng:

- SỐ lượng user trong hệ thong: thay đổi từ 1 đến 35 user.

- SNR trung bình: SNR=0 aB.

- Phuong phap scheduling su dung: Round Robin va Greedy Scheduling.

CHƯƠNG 3 3781 KET QUA MO PHONG

Hình 3.2: Độ lợi phán tập da user trong môi trường Rayleigh tại SNR=0đ8.

Như hình vẽ, độ lợi phân tập đa user tăng lên khi số lượng user tăng từ 1 đến 35 user Ban đâu, số lượng user tăng thì độ lợi phân tập tăng rất nhanh Nhưng khi số lượng user tăng đến một số lượng nhất định thì độ lợi phân tập tăng rất chậm và tiến đến giá trị bão hòa Tại giá trị bão hòa này BS luôn tìm được user có kênh truyền tốt nhất trong mỗi TS và dung lượng của hệ thống đạt giới hạn trên.

3.2 Môi trường fading đồng nhất va fading không đồng nhất:

Xét 2 user trong môi trường đồng nhất, có cùng SNR trung bình 1a 10 dB.

- SNR trung bình: 2 user có cùng SNR trung binh dB.

- Phương pháp scheduling su dụng: Greedy Scheduling.

Hình 3.3: SNR cua 2 user trong môi trường fading dong nhát.

Hình 3.4: Số lượng time-slot (TS) mỗi user chiếm được trong môi trường fading dong nhát.

Trong môi trường đồng nhất, xác suất dé các user có kênh truyền tốt là như nhau (hình 3.3) Vì vậy, số TS mà mỗi user chiếm được cũng xấp xỉ băng nhau (hình 3.4).

Trong môi trường này, sử dung Greedy Scheduling vừa tối da duoc tổng dung lượng của hệ thông vừa tăng dung lượng của môi user.

Ngược lại, trong môi trường không đồng nhất, luôn có một vải user có SNR lớn hơn các user khác Cụ thể, trong hình 3.5 user 2 thường có SNR tốt hơn user 1 Do đó, user 2 chiếm được nhiều TS (226/300 TS) hon so với user 1 (74/300 TS), hình 3.6.

- Kênh truyền fading: user 1 có 6, = 1/2 và user 2 có 0, = 1.

- SNR trung bình: SNR của user I là 10 dB và user 2 là 15 AB.

- Phuong phap scheduling su dung: Greedy Scheduling.

XWWẸẠẸOTEKKKRRUM6SOAA À1 etait iin niin

Hình 3.5: SNR cua 2 user trong môi trường fading không dong nhất.

Hình 3.6: Số lượng TS mỗi user chiếm được trong fading không đồng nhát.

3.3 Anh hưởng của các phương pháp Scheduling trong môi trường đồng nhất:

Xét một cell gôm có 1 BS, 15 user với SNR trung bình là 10 dB như hình 3.7 Xác suất để có kênh truyền tốt nhất của tất cả các user trong hệ thống là như nhau Ta sẽ tiễn hành xem xét ảnh hưởng của các loại scheduling khác nhau đến:

- Dung lượng của mỗi user nói riêng và hệ thông nói chung.

- Độ công băng (hay độ trễ) của các user thông qua số TS mà nó chiếm được.

- SỐ lượng user trong hệ thông: l5 user.

- SNR trung bình: SNR aB.

- Cac phương pháp scheduling sw dung: Round Robin, Greedy, PF va WPF Scheduling.

CHƯƠNG 3 412) KET QUA MO PHONG

- Hệ số t„ của PF Scheduling: t„ = 1000.

- Số Time Slot: 60 000 TS. đỏằ Ị Cac user

Hình 3.7: Phân bố user trong môi trường dong nhái. a Kết quả mô phỏng:

Cac userHinh 3.8: Thong luong trung binh cua cac user RR Scheduling (SNRdB). ho ta +> in n

Phan tram TS moi user chiem duoc (%) ak 0 2 4 6 ủ 10 12 14 16

Hình 3.9: Phan trăm TS mỗi user dùng RR chiếm được (SNRđ8).

6 poe AT TH TT HH HH Ta a5 =

Hình 3.10: Thông lượng trung bình của các user Greedy Scheduling

CHƯƠNG 3 432] KET QUA MO PHONG h3 Cả & in a

Phan tram TS moi user chiem duoc (%) —=k ũ 2 4 6 8 10 12 14 16

Hình 3.11: Phan trăm TS mỗi user ding Greedy chiếm được (SNRaB.

Throughput(Bit/s/Hz) ca + ho

‘Cac userHình 3.12: Thông lượng trung bình cua các user PF Scheduling (SNRdB).

Phan tram TS moi user chiem duoc (%) % 2 a 7 8 10 2 814 16

Hình 3.13: Phan trăm TS mỗi user dùng PF chiếm được (SNRđ8). ơ- i tn

Thraughput(Bit/s/Hz) hà ũ rà 4 6 8 10 iz 14 16

Hình 3.14: Thông lượng trung bình cua các user WPF(4,2,1) Scheduling

CHƯƠNG 3 45ủI KET QUA MO PHONG

Phan tram TS moi user chiem duoc (%) 0 2 4 6 8 10 12 14 16

Hình 3.15: Phan tram TS mỗi user dùng WPF(4,2,1) chiếm được (SNRđ8).

+* _merieiean = = = Be m mu ein2nieieinbe=

Hình 3.16: Tổng thông lượng trung bình của toàn hệ thong (SNRdB). b Bang tong hợp kết quả mô phóng:

Bang 3.1: Thông lượng trung bình trên mỗi TS (Bits/s/Hz).

Bang 3.2: Phan tram TS mỗi user chiếm được (%).

Bang 3.3: Tong thông lượng trung bình của toàn hệ thống (Bits/s/Hz).

Kết qua % TS trong bang 3.2 được tinh bang cách lay số TS ma từng user chiém được trong mỗi loại scheduling như: RR, Greedy, PF, WPF(4,2,1) chia cho tong số TS mô phỏng (trong trường hợp này là 60 000) rỗi nhân cho 100%. c Nhận xét: