Công nghệ điện tử Viễn thông Phân tập đa người dùng trong hệ OFDM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ THUẬN MƯỜI LÊ THUẬN MƯỜI PHÂN TẬP ĐA NGƯỜI DÙNG TRONG HỆ OFDM PHÂN TẬP ĐA NGƯỜI DÙNG TRONG HỆ OFDM Ngành: Công nghệ Điện tử -viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VIẾT KÍNH HÀ NỘI-2014 HÀ NỘI-2014 LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn “Phân tập đa người dùng hệ OFDM” sản phẩm thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Viết Kính Trong toàn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô giáo Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ tận tình chu có môi trường tốt học tập nghiên cứu Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Viết Kính người trực tiếp hướng dẫn, bảo tận tình suốt trình nghiên cứu hoàn thiện luận văn Một lần xin gửi lời cảm ơn đến tất thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ thời gian vừa qua Tôi xin kính chúc thầy cô giáo, anh chị bạn mạnh khỏe hạnh phúc Hà Nội, ngày tháng năm 2014 TÁC GIẢ Hà Nội, ngày tháng năm 2014 TÁC GIẢ Lê Thuận Mười Lê Thuận Mười MỤC LỤC 2.1 Giới thiệu chung 33 LỜI CAM ĐOAN 2.2 Tính hiệu trực giao toán học 34 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 2.3 Sơ đồ hệ thống OFDM 35 DANH MỤC CÁC BẢNG 2.4 Các kỹ thuật OFDM 35 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10 2.4.1 Các kỹ thuật điều chế OFDM 35 LỜI MỞ ĐẨU 12 2.4.2 Tạo sóng mang sử dụng IFFT 37 Chương KHÁI NIỆM PHÂN TẬP VÀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP ĐA NGƯỜI DÙNG 13 2.4.3 Khoảng bảo vệ tiến tố lặp 38 1.1 Hiện tượng fading đa đường 13 2.4.5 Ghép xen 39 1.1.1 Kênh truyền fading phẳng 13 2.4.6 Mã hóa kênh 40 2.4.4 Đồng ước đoán kênh 39 1.1.2 Kênh fading chọn lọc tần số 14 2.4.7 Chọn thông số OFDM 41 1.1.3 Kênh fading nhanh 15 2.5 Đặc tính OFDM 41 1.1.4 Kênh fading chậm 15 2.6 Ứng dụng thực tế 42 1.1.5 Kênh truyền Rayleigh 15 2.7 Kết luận chương 42 1.1.6 Kênh truyền Rice 16 1.2 Khái niệm phân tập 17 Chương MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH DÙNG TRONG HỆ OFDM, ĐA NGƯỜI DÙNG 43 1.2.1 Phân tập thời gian 17 3.1 Giới thiệu 43 1.2.2 Phân tập tần số 18 3.2 Thuật toán Round Robin 44 1.2.3 Phân tập không gian 19 3.3 Thuật toán Max Rate 44 1.2.4 Phân tập đa người dùng 20 3.4 Thuật toán lập lịch công tỷ lệ 45 1.3 Kỹ thuật phân tập đa người dùng 21 3.4.1 Thuật toán PFS cho trường hợp đa sóng mang, đa người dùng 45 1.3.1 Mô hình kênh fading đa người dùng 21 3.4.2 Thông số tc 49 1.3.2 Độ lợi phân tập đa người dùng 23 3.5 Thuật toán Rate-Craving Greedy 50 1.3.3 Đặc điểm phân tập đa người dùng 25 3.5.1 Thuật toán cấp tài nguyên (BABS) 51 1.3.4 Kỹ thuật tạo chùm theo hội 26 3.5.2 RCG 51 1.3.5 Phân tập đa người dùng môi trường đa ô 31 3.6 Kết luận chương 52 1.3.6 Kết luận 31 Chương MÔ PHỎNG 53 1.4 Kết luận chương 32 4.1 Mục đích mô 53 Chương KỸ THUẬT OFDM 33 4.2 Kịch mô 53 4.3 Độ công 53 4.3.1 Thông số mô 53 4.3.2 Kết mô 54 4.3 Độ trễ 55 4.3.1 Thông số mô 56 4.3.2 Kết mô 56 4.4 Thông lượng 59 4.4.1 Thông số mô 59 4.4.2 Kết mô 59 4.5 Kết luận chương 60 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ADC AWGN BER BPSK BTS CP CQI CSI FDMA FEC FFT ICI ISI LOS MIMO MS OBF Analog to digital converter Additive white gaussian Noise Bit Error Ratio Binary Phase Shift Keying Base Transceiver Station Cyclic Prefix Channel Quality Indicator Channel State Information Frequency Division Multiple Access Forward Error Correction Fast Fourier Transform Interchannel Interference Intersymbol Interference Line Of Sight Multiple Input Multiple Output Mobile Station Opportunistic Beamforming Orthogonal Frequency Division OFDM Multiplexing P/S Parallel/Serial PAPR PFS PSK QAM QoS QPSK RF RMS SIMO SNR Peak to Average Power Ratio Proportional Fair Scheduling Phase Shift Keying Quadrature Amplitude Modulation Quality of Service Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequency Root Mean Square Single Input, Multiple Output Signal-to-Noise Ratio TDMA Time Division Multiple Access Bộ chuyển đổi tương tự sang số Tạp âm gauss trắng cộng tính Tỷ lệ lỗi bit Khóa dịch pha nhị phân Trạm thu phát di động Tiền tố lặp Chỉ thị chất lượng kênh Thông tin trạng thái kênh Đa truy cập phân chia theo tần số Sửa lỗi hướng thuận Biến đổi Fourier nhanh Nhiễu xuyên kênh Nhiễu xuyên ký tự Đường nhìn thẳng Nhiều đầu vào nhiều đầu Trạm thu di động Tạo chùm tia theo hội Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Song song/ nối tiếp Tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình Lập lịch công tỷ lệ Khóa dịch pha Điều chế biên độ vuông pha Chất lượng dịch vụ Khóa dịch vuông pha Tần số vô tuyến Căn quân phương Một đầu vào nhiều đầu Tỷ số tín hiệu tạp âm Đa truy cập phân chia theo thời gian DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng so sánh loại phân tập 24 Hình 1.1 Đặc tính kênh fading phẳng 13 Bảng 2.1 Thông số dạng điều chế 37 Hình 1.2 Đặc tính kênh fading lựa chọn tần số 14 Bảng 4.1 Các thông số mô độ công 54 Hình 1.3 Hàm mật độ xác suất phân bố Rice 17 Bảng 4.2 Các thông số mô độ trễ 56 Hình 1.4 Từ mã phát có ghép xen 18 Bảng 4.3 Các thông số mô dung hệ thống 59 Hình 1.5 Các loại phân tập không gian 19 Hình 1.6 Ảnh hưởng phân tập lên Pe đầu thu 20 Hình1.7 Sơ đồ hệ thống đa người dùng đường xuống 22 Hình 1.8 Dung tổng kênh fading Rayleigh đường xuống 22 Hình 1.9 Dung kênh theo SNR Csum/CAWGN kênh fading Rayleigh đường xuống 23 Hình 1.10 Độ lợi phân tập đa người dùng kênh Rice kênh Rayleigh 24 Hình1.11 Kênh có dải động lớn môi trường di động 26 Hình 1.12 Sơ đồ hệ thống OBF 27 Hình 1.13 Thể kênh fading chậm hai người dùng trước sau áp dụng chùm tia theo hội 28 Hình 1.14 Hiệu suất phổ 29 Hình 1.15 Sự phụ thuộc thông lượng tổng số người dùng môi trường fading rice 30 Hình 1.16 Phân bố độ lợi kênh có OBF 30 Hình 2.1 (a) Kỹ thuật đa sóng mang truyền thống (b) kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao 33 Hình 2.2 Phổ tín hiệu ứng với sóng mang (a) phổ tín hiệu OFDM (b) 34 Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 35 Hình 2.4 Chòm tín hiệu M_QAM 36 Hình 2.5 Bộ điều chế OFDM 38 Hình 2.6 Sự trễ sóng mang gây ICI sóng mang 38 Hình 3.1 Hệ thống truyền đa sóng mang với đa người dùng 44 10 Hình 3.2 Đáp ứng kênh tần số (a) người dùng thống kê (b) người dùng thống kê không 47 Hình 3.3 Thông lượng tổng cộng đa người dùng môi trường cố định di động 48 Hình 3.4 So sánh độ công thông lượng thuật toán[3] 50 Hình 4.1 Độ công hệ thống theo số người dùng 54 Hình 4.2 Xác suất dừng kênh theo độ trễ yêu cầu với số người dùng 10 56 Hình 4.3 Xác suất dừng kênh theo độ trễ yêu cầu với số người dùng 30 57 Hình 4.4 Xác suất dừng kênh theo độ trễ yêu cầu với số người dùng 50 57 Hình 4.5 Xác suất dừng kênh theo số người dùng 58 Hình 4.6 Dung hệ thống tương ứng với số người dùng 59 LỜI MỞ ĐẨU Ngày nay, nhu cầu truyền thông không dây ngày tăng Các hệ thống thông tin tương lai đòi hỏi phải có dung lượng cao hơn, tin cậy hơn, sử dụng băng thông hiệu hơn, khả chống nhiễu tốt Hệ thống thông tin truyền thống phương pháp ghép kênh cũ không khả đáp ứng yêu cầu hệ thống thông tin tương lai Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập sử dụng để hạn chế ảnh hưởng fading đa đường, tăng độ tin cậy truyền tin mà tăng công suất phát hay băng thông Thực tế kỹ thuật phân tập cho phép lợi dụng nhược điểm kênh truyền gây nên hệ thống thông tin vô tuyến nghiên cứu nhiều Trong năm gần đây, kỹ thuật phân tập đa người dùng nghiên cứu hệ thông tin cho hệ 4G nhằm nâng cao chất lượng hệ thống Hiện đa sóng mang ứng dụng hệ thông tin LTE, WIMAX Vậy phân tập đa người dùng áp dụng hệ đa sóng mang Xuất phát từ ý tưởng lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp ”Phân tập đa người dùng hệ OFDM”, trường hợp riêng đa sóng mang Mục đích luận văn để tiến hành tìm hiểu kỹ thuật phân tập đa người dùng việc chia sẻ tài nguyên vô tuyến người dùng với yêu cầu dịch vụ khác Thông qua thuật toán lập lịch mô MATLAB, tính thuật toán phân tích so sánh, đánh giá triển khai ý tưởng phân tập đa người dùng kết hợp với hệ đa sóng mang OFDM Từ đưa nhận xét chọn phương pháp lập lịch tối ưu ứng với điều kiện cụ thể Nội dung luận văn gồm chương: Chương 1: Khái niệm phân tập kỹ thuật phân tập đa người dùng Chương 2: Kỹ thuật OFDM Chương 3:Một số thuật toán lập lịch dùng hệ OFDM, đa người dùng Chương 4: Mô Trong trình thực luận văn không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy cô giáo, anh chị bạn để luận văn hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! 11 12 Chương KHÁI NIỆM PHÂN TẬP VÀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP ĐA NGƯỜI DÙNG 1.1 Hiện tượng fading đa đường Do tính chất môi trường vô tuyến, tín hiệu RF truyền qua kênh truyền vô tuyến lan tỏa không gian đập vào vật cản phân tán rải rác đường truyền xe cộ, nhà cửa gây tượng phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ Các theo đường dài ngắn khác truyền tới máy thu đo tín hiệu thu tổng tất nên tín hiệu thu bị tăng cường hay suy giảm, tượng gọi tượng fading đa đường Điều dẫn đến tín hiệu nhận máy thu thay đổi nhiều so với tín hiệu máy phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông Tùy theo đáp ứng tần số kênh truyền mà ta có kênh truyền chọn lọc tần số hay kênh truyền phẳng, kênh truyền biến đổi nhanh hay biến đổi chậm Tùy theo đường bao tín hiệu sau qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm phân bố Rayleigh hay Rice mà ta có kênh truyền Rayleigh hay Rice Trong kênh fading phẳng, chu kỳ ký hiệu tín hiệu phát phải lớn nhiều so với thời gian trải trễ đa đường kênh Hình 1.1 cho thấy tính chất kênh fading phẳng mặt thời gian tần số Tóm lại, tín hiệu qua kênh fading phẳng BS >στ Trong TS độ kéo dài tín hiệu BS băng thông điều chế phát, στ trải trễ rms BC băng thông kết hợp kênh 1.1.2 Kênh fading chọn lọc tần số Nếu kênh có độ lợi không đổi đáp ứng pha tuyến tính khoảng băng thông nhỏ băng thông tín hiệu phát kênh tạo fading lựa chọn tần số Trong điều kiện đáp ứng xung kênh có trải trễ đa đường lớn chu kỳ ký hiệu tín hiệu phát Khi đó, tín hiệu thu bao gồm dạng sóng tín hiệu phát bị suy hao trễ theo thời gian tín hiệu thu bị nhiễu Mọi kênh truyền vô tuyến có đáp ứng phẳng dãi tần vô tuyến, nhiên kênh truyền xem phẳng khoảng nhỏ tần số 1.1.1 Kênh truyền fading phẳng Nếu kênh có độ lợi kênh không đổi đáp ứng pha tuyến tính khoảng băng thông lớn băng thông tín hiệu phát gọi kênh fading phẳng Trong fading phẳng, có đa đường đặc tính phổ tín hiệu phát bảo toàn máy thu Tuy nhiên cường độ tín hiệu thu thay đổi theo thời gian thăng giáng độ lợi kênh đa đường[10] Hình 1.2 Đặc tính kênh fading lựa chọn tần số Hình 1.2 minh họa tính chất kênh fading lựa chọn tần số mặt thời gian tần số Trong fading lựa chọn tần số, phổ S(f) tín hiệu phát có băng thông lớn băng thông kết hợp BC kênh Khi thời gian thay đổi, kênh thay đổi độ lợi pha làm phổ s(t) biến đổi, kết nhiễu thay đổi theo thời gian tín hiệu thu r(t) Hình 1.1 Đặc tính kênh fading phẳng Tóm lại, tín hiệu qua kênh fading lựa chọn tần số BS >BC TS TC BS >1, giá trị trung bình phân bố Rice xấp xỉ với phân bố Gauss 1.2 Khái niệm phân tập Trong môi trường vô tuyến, kỹ thuật phân tập sử dụng rộng rãi để làm giảm ảnh hưởng fading đa đường cải tiến độ tin cậy kênh truyền mà không yêu cầu tăng công suất phát tăng băng thông cần thiết Kỹ thuật phân tập yêu cầu nhiều tín hiệu nơi thu, tất mang thông tin có tương quan nhỏ môi trường fading Vì vậy, kết hợp hợp lý phiên khác làm giảm ảnh hưởng fading cải thiện độ tin cậy đường truyền Có nhiều cách để thu phân tập phân tập thời gian, phân tập tần số Trong kênh với nhiều anten phát thu ta có phân tập không gian Do vậy, phân tập kỹ thuật quan trọng, hệ thống vô tuyến sử dụng vài loại phân tập 1.2.1 Phân tập thời gian Phân tập qua thời gian thu thực mã hóa ghép xen: thông tin mã hóa ký hiệu mã hóa phân tán theo thời gian chu kỳ kết hợp khác để các phần khác từ mã độc lập xảy tượng fading [7] Giả sử ta phát từ mã x=[x1 ,xL] chiều dài ký hiệu L tín hiệu thu là: yl=hlxl + wl L= 1, , L (1.4) Giả sử ghép xen lý tưởng để ký tự liên tiếp xl phát đủ xa theo thời gian, ta giả thiết hl độc lập 17 Hình 1.4 Từ mã phát có ghép xen Trong hình 1.4 Các từ mã truyền các ký hiệu liên tiếp ghép xen, từ mã x2 bị triệt tiêu fading không dùng ghép xen kênh, dùng xen kênh từ mã ký tự ta khôi phục lại từ ba ký tự không bị ảnh hưởng fading 1.2.2 Phân tập tần số Trong phân tập tần số, sử dụng thành phần tần số khác để phát lượng thông tin Các tần số cần phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng fading cách độc lập Khoảng cách tần số phải lớn vài lần băng thông kết hợp để đảm bảo fading tần số khác không tương quan Kỹ thuật trải phổ hiệu băng thông kết hợp kênh nhỏ Tuy nhiên, băng thông kết hợp kênh truyền lớn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường nhỏ chu kỳ tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ không hiệu để cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào dư thừa thông tin băng tần số 18 1.2.3 Phân tập không gian Để khai thác phân tập thời gian cần phải ghép xen mã hóa qua chu kỳ thời gian kết hợp Khi có ràng buộc độ trễ, phân tập không sử dụng Lúc sử dụng loại phân tập khác gọi phân tập anten hay phân tập không gian Phân tập không gian thu cách đặt nhiều anten đầu phát đầu thu Nếu anten đặt với khoảng cách đủ xa, độ lợi kênh anten độc lập Khoảng cách anten phụ thuộc vào môi trường tán xạ tần số sóng mang Với thiết bị di động gần mặt đất với nhiều tán xạ xung quanh, khoảng cách anten nửa chiều dài sóng mang đủ Đối với trạm gốc với chiều cao cột anten cao, anten lớn khoảng cách vài đến vài chục bước sóng tập chuyển mạch tức lựa chọn thay đổi anten cường độ tín hiệu anten thu bị rơi xuống ngưỡng xác định Hình 1.6 Ảnh hưởng phân tập lên Pe đầu thu Hình 1.5 Các loại phân tập không gian Hình 1.5 loại phân tập không gian với hình a: Phân tập thu sử dụng nhiều anten thu (SIMO) hình b: phân tập phát sử dụng nhiều anten phát(MISO) hình c kênh với nhiều anten phát nhiều anten thu (MIMO) 1.2.3.2 Phân tập phát Phân tập phát kỹ thuật sử dụng hai hay nhiều anten phía phát để phát tín hiệu, công suất phát chia cho anten phát Phân tập thu khó để thực máy thu di động thiếu không gian, công suất, chi phí tăng phụ thuộc vào loại hình dạng Phân tập phát có yêu cầu phần cứng độ phức tạp xử lý tín hiệu đáng kể BTS Nó có bất lợi công suất lượng từ BTS phân chia nhiều thành phần anten Phân tập phát phụ thuộc vào phản hồi từ thu Nó thường triển khai sử dụng mã không gian thời gian mà không yêu cầu phản hồi Để thực thi phân tập phát có nhiều cách khác như: lưu đồ phân tập-trễ (truyền lặp lại qua anten theo thời gian), mã lưới không gian-thời gian, mã khối không gian – thời gian, nhảy anten 1.2.3.1 Phân tập thu Tín hiệu từ đầu phát theo nhiều đường để tới đầu thu phản xạ, tán xạ từ môi trường Phân tập thu kỹ thuật sử dụng nhiều anten khác phía thu Các anten thu thu nhiều tín hiệu truyền Tín hiệu thu thay đổi lớn qua vài chiều dài bước sóng môi trường nhiều tín hiệu đa đường Xác suất lỗi bit (Pe) QPSK kênh fading Rayleigh xấu Nếu thu thu vài kênh fading độc lập, sóng mang tín hiệu, kết hợp thông tin đường dẫn để giảm Pe máy thu ta nhìn thấy hình 1.6 Ngoài ra, kỹ thuật phân tập thu có độ phức tạp thấp phân 1.2.4 Phân tập đa người dùng Phân tập đa người dùng kỹ thuật phân tập sử dụng lập lịch người dùng kênh vô tuyến đa người dùng lập lịch người dùng cho phép trạm gốc chọn người dùng kênh chất lượng cao để phát thông tin dựa thông tin chất lượng kênh phản hồi từ tất thiết bị người dùng Khi có nhiều người dùng sử dụng mạng vô tuyến, chất lượng kênh người dùng khác khác Nếu trạm gốc phát thông tin tới người dùng chọn ngẫu nhiên, kênh người dùng chọn rõ ràng thấp người dùng có chất lượng kênh tốt Phân tập đa người dùng thực trạm gốc biết 19 20 Chương KỸ THUẬT OFDM 2.1 Giới thiệu chung OFDM trường hợp đặc biệt việc truyền đa sóng mang luồng liệu đơn phát qua số sóng mang có tốc độ thấp OFDM coi kỹ thuật điều chế kỹ thuật ghép kênh Một lý để dùng OFDM tăng việc chống tượng nhiễu băng hẹp fading lựa chọn tần số Trong hệ thống liệu song song cổ điển, toàn dải tần số tín hiệu phân chia thành N kênh tần số không chồng lặp Mỗi kênh điều chế sau N kênh phân kênh tần số Tránh lặp phổ kênh để tránh nhiễu xuyên kênh Tuy nhiên, điều dẫn đến tính không hiệu việc sử dụng phổ có sẵn Để giải không hiệu này, có ý tưởng đề xuất từ năm 1960 để sử dụng liệu song song FDM với kênh chồng lặp nhằm sử dụng hoàn toàn băng thông có sẵn[9] Hình 2.1 chứng minh khác kỹ thuật đa sóng mang không chồng lặp truyền thống kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng lặp Như hình 2.1, việc sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng lặp, ta tiết kiệm khoảng 50% băng thông xuống chiều Do đó, sóng mang độc lập tuyến tính với (trực giao) khoảng cách sóng mang bội số 1/T Hình 2.2 Phổ tín hiệu ứng với sóng mang (a) phổ tín hiệu OFDM (b) Nguyên lý OFDM chia luồng liệu tốc độ cao thành thành luồng có tốc độ thấp để truyền đồng thời qua sóng mang Do khoảng thời gian ký hiệu tăng lên cho sóng mang song song tốc độ thấp nên nhiễu gây độ trải trễ đa đường giảm xuống Trong thiết kế hệ thông OFDM, thông số xem xét bao gồm: số lượng sóng mang con, thời gian bảo vệ, khoảng thời gian ký hiệu, khoảng cách sóng mang con, loại điều chế sóng mang con, loại mã sửa lỗi (FEC) Việc lựa chọn thông số liên quan đển yêu cầu hệ thống băng thông có sẵn, tốc độ bít yêu cầu, dung sai trải trễ, giá trị Doppler Một số yêu cầu có ngược Ví dụ, để có dung sai trải trễ tốt, số lượng lớn sóng mang với khoảng cách sóng mang nhỏ, dung sai ngược với trải Doppler nhiễu pha 2.2 Tính hiệu trực giao toán học Xét tập hợp N sóng mang fn(t), n = 0,1,…,N-1 t1≤ t ≤ t2 Tập hợp sóng mang trực giao : t2 Hình 2.1 (a) Kỹ thuật đa sóng mang truyền thống (b) kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao Tuy nhiên cần xếp sóng mang tín hiệu OFDM để dải biên sóng mang đơn lẻ chồng lên tín hiệu nhận mà không bị nhiễu sóng mang liền kề Để làm điều sóng mang phải trực giao mặt toán học Máy thu hoạt động dải giải điều chế dịch tần sóng mang 33 f t1 n  0; n  m (t ) f m* (t )   K ; n  m (2.1) K: số ; Tín hiệu trực giao có tính chất cho phép truyền thu tốt nhiều tín hiệu kênh truyền mà không gây nhiễu xuyên kí tự tín hiệu Tính trực giao tín hiệu thể dạng phổ miền tần số Trong miền tần số, tín hiệu sóng mang tín hiệu trực giao có đáp ứng tần số 34 sinc(x) hay sin(x)/x Biên độ hàm sinc có dạng búp hẹp nhiều búp phụ có biên độ giảm dần xa tần số trung tâm hình 2.2 (a) Mỗi sóng mang tín hiệu có biên độ đỉnh tần số trung tâm tần số trung tâm sóng mang khác Do ta gọi tín hiệu trực giao 2.3 Sơ đồ hệ thống OFDM Hình 2.3 sơ đồ khối hệ thống OFDM Tại đầu phát, tín hiệu số dạng nhị phân mã hóa ghép xen để chống lỗi cụm Sau biến đổi nối tiếp thành song song để tăng hiệu suất phổ, chuỗi liệu nhị phân điều chế (PSK QAM) để thay đổi tốc độ truyền thích nghi cần Tín hiệu đưa vào biến đổi IFFT, sau chuyển thành dạng nối tiếp tín hiệu thêm tiền tố lặp để chống nhiễu hiệu ứng đa đường gây (ISI ICI) DA tạo tín hiệu OFDM theo thời gian BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM dựa yêu cầu công suất hiệu suất sử dụng băng thông kênh Điều chế biên độ vuông góc (QAM) Trong hệ thống PSK, thành phần đồng pha vuông pha kết hợp với cho tạo thành tín hiệu đường bao không đổi Tuy nhiên, loại bỏ điều để thành phần đồng pha vuông pha độc lập với ta sơ đồ điều chế gọi điều biên cầu phương QAM Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế biên độ pha Điều chế QAM có ưu điểm tăng dung lượng đường truyền dẫn số Dạng tổng quát điều chế QAM M trạng thái ( M_QAM ) xác định sau: S1 (t )  E0 E0 cos(2 f c t )  bi sin(2 f c t )  t  T   T T (2.2) Trong đó: E0 lượng tín hiệu có biên độ thấp ai, bi cặp số nguyên độc lập chọn tuỳ theo vị trí kí tự chòm Tín hiệu sóng mang gồm thành phần vuông góc điều chế tập hợp tín hiệu rời rạc có tên “điều chế biên độ vuông góc” Có thể phân tích Si(t) thành cặp hàm sở: 1 (t )  bi sin(2 f c t ) T 2 (t )  cos(2 f ct ) T 0  t  T  (2.3) 0  t  T  (2.4) Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống OFDM Tại đầu thu, máy thu thực ngược lại trình máy phát, sau loại bỏ tiền tố lặp tín hiệu đưa vào biến đổi FFT Tín hiệu QAM sau chuyển dạng nhị phân, sau giải mã tiến hành giải mã để thu tín hiệu ban đầu 2.4 Các kỹ thuật OFDM 2.4.1 Các kỹ thuật điều chế OFDM Trong hệ thống OFDM tín hiệu vào luồng bit dạng nhị phân Nên hệ thống OFDM trình điều chế số, chọn loại điều chế Hình 2.4 Chòm tín hiệu M_QAM 35 36 Dạng điều chế qui định số trạng thái ngõ vào M số phức ngõ dn = an + jbn ; ( 1 =j); an bn chọn sau: (2.5) Bảng 2.1 Thông số dạng điều chế an , bn M Dạng điều chế BPSK ±1 QPSK ±1 16 16-QAM ±1, ±3 64 64-QAM ±1, ±3, ±5, ±7 Hình 2.5 Bộ điều chế OFDM 2.4.2 Tạo sóng mang sử dụng IFFT Tín hiệu OFDM bao gồm sóng mang điều chế cách sử dụng khóa dịch pha (PSK) điều chế biên độ vuông gốc (QAM) Nếu di ký hiệu QAM phức, Ns số sóng mang con, T khoảng thời gian ký hiệu fc tần số sóng mang, ký hiệu OFDM bắt đầu thời gian t=ts viết sau[4]: ( ) = ∑ − ( − ( ) = tts + T Biểu diễn băng gốc phức tương đương: ( ) = ∑ 2.4.3 Khoảng bảo vệ tiến tố lặp Để thực OFDM hiệu cần để ý đến trải trễ đa đường Bằng việc phân chia luồng liệu đầu vào thành Ns sóng mang con, khoảng thời gian ký hiệu chia thành Ns thời gian nhỏ làm giảm trễ đa đường Để loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu ISI hoàn toàn, khoảng bảo vệ đưa vào ký hiệu OFDM Khoảng bảo vệ lựa chọn lớn trải trễ mong đợi, thành phần đa đường từ ký hiệu làm nhiễu tới ký hiệu bên cạnh Tuy nhiên, lúc lại xuất nhiễu xuyên kênh ICI ) ts≤t≤ts+T (2.6) ( − ) ts≤t≤ts+T ( ) = tts + T (2.7) Trong trường hợp phần thực phần ảo tương đương với thành phần đồng pha thành phần vuông pha tín hiệu OFDM Hình 2.5 sơ đồ khối điều chế OFDM Tín hiệu OFDM phức phương trình (2.6) biến đổi Fourier ngược ký hiệu QAM (hay PSK) lối vào Trong hệ rời rạc phép biến đổi Fourier rời rạc Thực tế phép biến đổi thực hiệu nhờ phép biến đổi ngược Fourier nhanh (IFFT) 37 Hình 2.6 Sự trễ sóng mang gây ICI sóng mang Hinh 2.6 ví dụ sóng mang sóng mang trễ hình vẽ Khi thu OFDM giải điều chế sóng mang đầu tiên, gặp phải số nhiễu từ 38 sóng mang thứ hai, khoảng thời gian FFT tích phân số chu kỳ khác sóng mang 2, đồng thời gây nhiễu xuyên âm từ sóng mang thứ sang sóng mang thứ Để loại bỏ nhiễu ICI, ký hiệu OFDM mở rộng cách đặn vào thời gian bảo vệ gọi tiền tố lặp Việc chèn tiền tố lặp thực cách chép phần đầu ký hiệu OFDM vào phần cuối ký hiệu Điều đảm bảo ký hiệu OFDM có số chu kỳ khoảng FFT với điều kiện độ trễ nhỏ thời gian bảo vệ Kết quả, tín hiệu đa đường với độ trễ nhỏ thời gian bảo vệ gây ICI Nếu trễ đa đường vượt khoảng bảo vệ phần nhỏ khoảng tính FFT (khoảng 3%) sóng mang không trực giao nhiễu đủ nhỏ để có giản đồ chòm chấp nhận Nếu trễ đa đường vượt khoảng bảo vệ 10% khoảng FFT giản đồ chòm bị ảnh hưởng nghiêm trọng, tỉ lệ lỗi không chấp nhận 2.4.4 Đồng ước đoán kênh Một máy thu OFDM hoạt động chế độ thu phải thực đồng thời gian, ước đoán sửa lỗi tần số trôi đồng hồ mẫu RF, khởi tạo ước đoán kênh Trong hệ thống mà việc truyền thông tin đóng gói chế độ cụm trình đồng thường trợ giúp tín hiệu đồng mào đầu gồm vài chuỗi huấn luyện Các chuỗi huấn luyện tín hiệu đồng mào đầu có chiều dài NP=N/I, N chiều dài khối OFDM I số nguyên Mỗi chuỗi huấn luyện phải có khoảng chu kỳ bảo vệ thích hợp Trong mào đầu đồng chèn có chu kỳ vào luồng ký hiệu OFDM liệu phát Thuật toán đồng khai thác khoảng chu kỳ bảo vệ ký hiệu OFDM, khoảng bảo vệ chứa ký hiệu lặp phân chia theo thời gian Khoảng bảo vệ sử dụng để ước đoán thay đổi pha kênh giao động tần số offset Sau thu được, máy thu nhập chế độ liệu theo dõi độ trôi tần số RF lấy mẫu dao động thay đổi kênh Với ứng dụng độ trải trễ Doppler lớn vô tuyến di động mặt đất, hệ số kênh thường theo dõi cách chèn thêm ký hiệu hoa tiêu OFDM sử dụng sóng mang hoa tiêu 2.4.5 Ghép xen Do fading lựa chọn tần số đặc trưng kênh vô tuyến, sóng mang OFDM nói chung có biên độ khác Fading sâu phổ tần số 39 gây nhóm sóng mang có độ tin cậy sóng mang khác, làm cho lỗi bít xuất cụm tán xạ ngẫu nhiên Hầu hết mã sửa lỗi FEC không thiết kế để giải lỗi cụm Do đó, ghép xen áp dụng để ngẫu nhiên hóa xuất lỗi bít trước giải mã Tại phát, bit mã hóa hoán vị theo cách xác định để đảm bảo bít kề tách vài bít sau ghép xen Tại đầu thu, hoán vị ngược lại thực trước giải mã Sơ đồ ghép xen thường dùng ghép xen khối, bít đầu vào ghi thành cột đọc theo hàng 2.4.6 Mã hóa kênh OFDM tránh vấn đề nhiễu xuyên ký hiệu việc phát nhiều sóng mang băng hẹp sử dụng thời gian bảo vệ Tuy nhiên, điều lại nảy sinh vấn đề khác, kênh fading đa đường, tất sóng mang đến máy thu với biên độ khác Thực tế, số sóng mang hoàn toàn fading sâu Do đó, chí hầu hết sóng mang phát mà không bị lỗi, tỷ số BER cao có vài tín hiệu có biên độ bé Để tránh lỗi sóng mang yếu nhất, mã sửa lỗi FEC sử dụng Bằng việc sử dụng mã hóa chéo sóng mang, lỗi sóng mang yếu sửa tới giới hạn định phụ thuộc vào mã kênh Thường có hai loại mã hóa mã khối mã chập Sau mã hóa phần ghép xen cách để ngẫu nhiện hóa cụm lỗi thường xuất kênh kề bị fading sâu Mã hóa FEC chia thành loại mã chính: mã khối mã chập Mã khối: Một mã khối mã hóa khối k ký hiệu đầu vào thành n ký hiệu mã hóa với n lớn k Mục đích việc thêm n-k ký hiệu thừa để tăng khoảng cách Hamming tối thiểu, số tối thiểu ký hiệu khác cặp từ mã Một số loại mã khối như: mã khối tuyến tính, mã Hamming, mã Reed Solomon Mã chập: Một mã chập ánh xạ k bít luồng đầu vào liên tục thành n bít đầu việc ánh xạ thực việc chập bit đầu vào với đáp ứng xung nhị phân Mã hóa chập thực đơn giản cách dịch ghi cộng module 40 2.4.7 Chọn thông số OFDM Lựa chọn thông số OFDM thỏa hiệp thay đổi thường yêu cầu đối lập Thường có ba yêu cầu để bắt đầu với: băng thông, tốc độ bít trải trễ Trải trễ trực tiếp điều khiển thời gian bảo vệ Khoảng bảo vệ có từ hai đến bốn lần giá trị quân phương (rms) trải trễ Giá trị phụ thuộc vào loại mã hóa điều chế QAM QAM cao (như 64-QAM) ICI ISI nhạy so với QPSK Trong mã hóa phức tạp rõ ràng giảm độ nhạy nhiễu Bây khoảng bảo vệ đặt, khoảng thời gian ký hiệu cố định Để tối thiểu hóa tỷ số SNR suy hao gây thời gian bảo vệ Ta mong muốn có khoảng thời gian ký hiệu lớn nhiều so với thời gian bảo vệ Tuy nhiên lớn tùy ý khoảng thời gian ký hiệu lớn nghĩa sóng mang nhiều với khoảng cách sóng mang nhỏ hơn, độ phức tạp thực thi lớn hơn, nhạy nhiễu pha tần số trôi (offset), làm tăng PAPR Do vậy, lựa chọn thiết kế thực tế làm cho khoảng thời gian ký hiệu năm lần thời gian bảo vệ, thực thi suy hao dB SNR khoảng bảo vệ Khi khoảng thời gian ký hiệu thời gian bảo vệ cố định, số lượng sóng mang theo băng thông 3dB yêu cầu dành cho khoảng cách sóng mang con, nghịch đảo khoảng thời gian ký hiệu Hoặc số lượng sóng mang xác định tốc độ bít yêu cầu chia cho tốc độ bít sóng mang Tốc độ bit sóng mang định nghĩa bới loại điều chế, tỷ lệ mã hóa tốc độ ký hiệu Nhược điểm: OFDM có vài nhược điểm so sánh với hệ đơn sóng mang: - OFDM nhạy với tần số trôi (offset) nhiễu pha - OFDM có PAPR cao, kéo theo giảm hiệu công suất khuất đại RF 2.6 Ứng dụng thực tế Kỹ thuật OFDM kỹ thuật có ứng dụng rộng rãi[8] Một số ứng dụng sau: - DAB: DAB-OFDM dạng cho tiêu chuẩn phát số quảng bá thị trường Châu Âu - HDTV - IEEE 802.16 hệ thống truy cập không dây băng rộng - Hệ thống truyền ATM không dây - Hệ thống thông tin di động 4G 2.7 Kết luận chương Sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động hệ thống OFDM, chức khối dựa kỹ thuật thực khối IFFT FFT, dùng CP ưu điểm nhược điểm ứng dụng trình bày chương hai Với hệ đa người dùng, đa sóng mang, kỹ thuật lập lịch áp dụng để nâng cao hiệu hệ thống, đồng thời thỏa mãn số yêu cầu khác sẽ chương 2.5 Đặc tính OFDM Ưu điểm: - Nâng cao hiệu suất sử dụng phổ nhờ chồng lấn phổ - Loại trừ ISI ICI nhờ sử dụng tiền tố lặp (CP) - OFDM chống lại fading lựa chọn tần số tốt so với hệ đơn sóng mang - OFDM cách hiệu để giải đa đường, cho việc trải trễ, độ phức tạp thực thi thấp đáng kể so với hệ thống đơn sóng mang với làm - Các kênh thay đổi theo thời gian tương đối chậm, làm tăng kể dung lượng cách thích nghi tốc độ liệu sóng mang theo tỷ số tín hiệu nhiễu sóng mang cụ thể - OFDM chống lại nhiễu băng hẹp nhiễu ảnh hưởng đến phần nhỏ sóng mang 41 42 Chương MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH DÙNG TRONG HỆ OFDM, ĐA NGƯỜI DÙNG 3.1 Giới thiệu Trong chương này, thuật toán lập lịch khác trình bày để làm việc kịch khác Mục đích để cải thiện tài nguyên thông lượng người dùng có liệu gói khác chia sẻ qua kênh vô tuyến đường xuống giữ độ công Các thuật toán lập lịch cho mạng liệu gói vô tuyến khai thác kênh truyền trạm gốc (BS) người dùng độc lập (MS) cho việc lập lịch để truyền tới MS kênh tốt, xuất có phân tập đa người dùng Hệ thống xem xét hệ thống OFDM với đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) Thông tin trạng thái kênh hoàn hảo giả thiết cho hai MS BS, ví dụ giả thiết biết độ lợi kênh sóng mang suy hao đường truyền dẫn, che chắn fading đa đường Mỗi sóng mang sử dụng người dùng thời điểm cho trước Cấp sóng mang thực trạm gốc người dùng thông báo sóng mang chọn lựa cho họ Ta xét hệ thống với K người dùng, N sóng mang thời gian phân chia thành khe thời gian Tại khe thời gian, người dùng k lập lịch phát sóng mang cấp Các thuật toán cấp lượng xem xét, đơn giản phân bổ công suất phát cho sóng mang Mục đích để tìm cấp sóng mang con, cho phép người dùng thoả mãn yêu cầu tốc độ, tối đa hóa thông lượng mà không vi phạm độ công Hệ thống hình 3.1[6] Hình 3.1 Hệ thống truyền đa sóng mang với đa người dùng 3.2 Thuật toán Round Robin Round Robin (RR) thuật toán lập lịch đơn giản nhất, ấn định phần thời gian tới người dùng phần chia để điều khiển tất người dùng với độ ưu tiên Lập lịch RR đơn giản dễ thực thi Trong mạng vô tuyến, nhiều MS chia sẻ kênh, thuật toán cấp cho MS để truyền nhận kênh chia sẻ với khoảng thời gian Điều làm cho thuật toán RR đảm bảo thuật toán thực công Tuy nhiên, hiệu so với thuật toán khác PFS RCG cung cấp dịch vụ tốt tới MS Trạm gốc làm giảm dung lượng mạng Lý cho điều thuật toán không quan tâm đến thay đổi điều kiện thu máy thu khác nói trước thuật toán RR không quan tâm đến phân tập đa người dùng lập lịch phát tới/từ thuê bao thường với nửa thời gian điều kiện kênh thu xấu mức bình thường 3.3 Thuật toán Max Rate Bộ lập lịch Max Rate phát tới người dùng có SNR lớn nhất, người dùng đỉnh fading có khả lập lịch lúc, người dùng khác có fading sâu không lập lịch Như biết, SNR thu 43 44 sóng mang thứ n người dùng thứ k khe thời gian t thể sau[5]: , ( )= , ( ) , ( )/ (3.1) Trong Sk,n(t), Hk,n(t) công suất phát cấp độ lợi kênh sóng mang thứ n khe thời gian t, No mật độ phổ công suất AWGN, B băng thông N số sóng mang Bộ lập lịch Max Rate tạo thông lượng cao so với nguyên tắc lập lịch khác tổng thể bỏ qua công Trong môi trường vô tuyến, kênh người dùng mạnh yếu khác nhau, khoảng cách khác tới trạm gốc, kênh thăng giáng fading đa đường Vì thế, lấy người dùng khỏe có không công cao 3.4 Thuật toán lập lịch công tỷ lệ Để thực ý tưởng phân tập đa người dùng hệ thống thực gặp trở ngại hai vấn đề sau: công độ trễ Trong trường hợp lý tưởng, thống kê fading người dùng nhau, thông lượng cực đại hệ thống, thông lượng cá nhân cực đại, thỏa mãn công Thực tế thống kê fading không Có người dùng gần trạm gốc (có SNR cao hơn), có người xa trạm gốc, có người đứng yên, có người di chuyển, có người môi trường xung quanh vật tán xạ, có người có vật tán xạ mạnh Việc đảm bảo thông lượng công cho người dùng cần thiết, thể chất lượng hệ Trường hợp hệ ý đến thông lượng trung bình tổng cộng khe thời gian dài mà yêu cầu thời gian trễ nữa, chất lượng hệ đánh giá thông qua thông lượng trung bình liên quan đến trễ 3.4.1 Thuật toán PFS cho trường hợp đa sóng mang, đa người dùng a) Nội dung thuật toán Một thuật toán lập lịch đơn giản thiết kế để phù hợp với thách thức thuật toán lập lịch công tỷ lệ (PFS) hệ thống OFDM Trong hệ thống này, phản hồi chất lượng kênh người dùng k sóng mang n khe thời gian t tới trạm gốc dạng tốc độ liệu yêu cầu Rk,n(t) Trong hệ thống OFDM đa người dùng, thuật toán cấp tài nguyên định người dùng phục vụ với công suất cho sóng mang Giả thiết công suất phát tổng bị ràng buộc S Một tài nguyên cấp tới người dùng, tốc độ liệu thời người dùng xác định BS phục vụ người dùng tốc độ 45 Theo lý thuyết thông tin, tốc độ dịch vụ thời sóng mang thứ n khe thời gian thứ t đưa là: (1 + ) (3.2) , ( )= / Trong Rk,n(t) tốc độ truyền người dùng thứ k khe thời gian t, B băng thông tổng N số sóng mang Thuật toán lập lịch PFS làm việc sau: Theo dõi thông lượng trung bình Tk,n(t) người dùng sóng mang cửa sổ có chiều dài tc tclà cửa sổ thời gian để lấy trung bình động Trong khe thời gian t, đơn giản thuật toán lập lịch phát sóng mang tới người dùng k* với tỷ số: , ( ) , ( ) (3.3) lớn số tất người dùng kích hoạt hệ thống Trong Rk,n(t) tốc độ liệu mà sóng mang n người dùng thứ k hỗ trợ thời Thông lượng trung bình Tk,n(t) cập nhật sử dụng lọc thông thấp có trọng số hàm mũ 1− , ( + 1) = 1− , , ( )+ ( ) , ( ) = ∗ ≠ ∗ ( ) ( ) (3.4) Trong luận văn này, thuật toán PFS hệ thống OFDM sử dụng coi sóng mang độc lập với Vì thế, ta phải tính toán người dùng có giá trị lớn tính theo (3.3) sóng mang khe thời gian để cấp sóng mang tới người dùng Ta phải cập nhật thông lượng trung bình phương trình (3.4) sóng mang khe thời gian Vì thế, thuật toán PFS xét đến sóng mang độc lập với ta phải cập nhật hệ thống khe thời gian Thuật toán không ý đến yêu cầu tốc độ người dùng cấp công suất thường không xem xét, có vài điểm yếu làm giảm tính hệ thống triển khai môi trường kênh người dùng không đồng Thuật toán cấp lượng tức phân bố công suất truyền tương đương sóng mang b) Giải thích thuật toán qua ví dụ Thí dụ 1: Ta quan sát thuật toán làm việc hình 3.2 Ta vẽ đáp ứng kênh tần số hai người dùng hàm số hai kịch khác 46 thống kê fading không Trong hình 3.2.a hai người dùng có thống kê fading nhau, thông lượng trung bình thời gian dài hai người dùng Thuật toán lập lịch rút gọn lại chọn người dùng với tốc độ yêu cầu cao Do đó, người dùng lập lịch kênh tốt đồng thời thuật toán lập lịch công hoàn toàn thời gian dài Trong hình 3.2 (b), có lẽ khoảng cách khác từ trạm gốc, kênh người dùng khỏe nhiều so với trung bình kênh khác, hai kênh dao động fading đa đường Luôn chọn người dùng với tốc độ yêu cầu cao nghĩa đưa tài nguyên toàn hệ thống cho người dùng khỏe mặt thống kê có tính không công cao Ngược lại, với thuật toán lập lịch nêu trên, người dùng tính toán tài nguyên tức dựa tốc độ liệu yêu cầu họ mà sau chuẩn hóa với thông lượng trung bình tương ứng Người dùng với thống kê kênh tốt có thông lượng trung bình cao Do đó,thuật toán lập lịch người dùng chất lượng kênh tức thời cao liên quan tới điều kiện kênh trung bình qua thang thời gian lập lịch tc Tóm lại, liệu phát tới người dùng kênh gần đỉnh Thuận lợi phân tập đa người dùng có kênh người dùng khác thăng giáng độc lập để có đủ số người dùng hệ thống, có khả người dùng gần với đỉnh thời gian nào[3] Hình 3.2 Đáp ứng kênh tần số (a) người dùng thống kê (b) người dùng thống kê không 47 Thí dụ 2[7]: thuật toán lập lịch công tỷ lệ hệ 1.25 Mhz IS-856 đường xuống xét môi trường: môi trường cố định người dùng cố định, vật xung quanh di chuyển, môi trường di chuyển chậm người dùng di chuyển với tốc độ chậm 3km/h, Rayleigh môi trường di chuyển nhanh người dùng di chyển với tốc độ 30km/h, Rayleigh Hình 3.3 Thông lượng tổng cộng đa người dùng môi trường cố định di động Ngoài ra, điều kiện cần bổ sung thêm độ lợi kênh trung bình E[|h|2] trường hợp tỷ lệ xích thời gian trễ tc = 1.6s Khi kênh thay đổi hai trường hợp, dải động tốc độ thay đổi lớn môi trường di động so với môi trường cố định (hình 1.11) Một câu hỏi đặt ra, liệu môi trường di động, có nhiều đỉnh thăng giáng nhiều hội để sử dụng hiệu thuật toán tức thông lượng tổng cộng hệ tốt số người dùng tăng so với trường hợp cố định? Quan sát đồ thị hình 3.3 cho ta thấy thông lượng tổng cộng (kbps): + Khi môi trường di chuyển nhanh thông lượng số số người dùng tăng + Môi trường di chuyển chậm: thông lượng tăng theo số người dùng nhanh + Môi trường di chuyển nhanh: thông lượng tăng theo số người dùng chậm Như có mâu thuẫn? Điều giải thích tốc độ xét, máy thu khó theo dõi dự đoán xác thay đổi kênh loại dự đoán kênh loại mạch 48 lọc thông thấp trơn tru dù có thăng giáng kênh, thông tin theo hội thực thực lúc kênh tốt Phải điều có liên quan đến việc chọn thông số tc (công thức 3.4) dùng thuật toán PFS? 3.4.2 Thông số tc Thông số tc liên quan đến thời gian trễ cho phép ứng dụng Các đỉnh định nghĩa thang thời gian Nếu thang thời gian trễ lớn thông lượng trung bình qua thang thời gian dài lập lịch đợi lâu trước lập lịch cho người dùng kênh người chạm đến đỉnh cao thực Giá trị lớn tc tc=vô cùng, tình tài nguyên theo thuật toán PFS định SNR tức thời, dẫn đến tối đa thông lượng hệ thống đặc tính công Ngược lại, chọn giá trị tc thấp, chẳng hạn tc=1, lập lịch công Do đó, chọn tc cho ta thỏa hiệp công thông lượng[3] Trong hình 3.4 (a) độ công hệ thống theo thông số tc theo thuật toán khác nhau, PFS, RR Max rate Ta biết F(sự công bằng)=1 tất người dùng chia sẻ xác số lượng nguồn tài nguyên, F=0 xuất người dùng sử dụng tất tài nguyên Các thuật toán RR Max rate độc lập với thông số tc, công theo thuật toán trì không đổi thể đường biên công Thuật toán Max rate thể công nhỏ thuật toán RR thể công lớn Ta nhìn thấy hình 3.4 (a) tc tiến tới tính công tăng lên tính PFS tiến tới tính RR, tc tiến tới vô có suy giảm tính công tính PFS hướng tới tính Max rate Mặt khác, hình 3.4 (b) trình bày mối liên hệ thông lượng thông số tc Như ta nói trước, thuật toán Max rate RR độc lập với thông số tc thể biên tính Thuật toán Max Rate thể thông lượng lớn thuật toán RR thể thông lượng bé Cũng hình 3.4 (b) tc hướng tới vô thông lượng tăng lên tính PFS hướng tới tính Max rate, tc hướng tới 1có suy giảm thông lượng tính PFS hướng tới tính RR 49 Hình 3.4 So sánh độ công thông lượng thuật toán[3] 3.5 Thuật toán Rate-Craving Greedy Thuật toán phân chia việc cấp tài nguyên thành hai bước Bước đầu tiên, số sóng mang mà người dùng nhận, xác định dựa yêu cầu tốc độ người dùng SNR trung bình Thuật toán tìm xếp sóng mang để tối thiểu hóa công suất tổng đòi hỏi người dùng với kênh fading phẳng Trong bước thứ hai thuật toán, tìm ấn định tốt sóng mang cho người dùng dựa tốc độ truyền ước đoán Xét hệ thống với K người dùng N sóng mang Mỗi người dùng k phải phát Rmink bít đơn vị thời gian để thỏa mãn yêu cầu tốc độ liệu Một người dùng phát Rmax bít đơn vị thời gian sóng mang con, để Rmax giá trị tối đa mà đáp ứng kênh người dùng đạt đến Đặt Hk,n(t) độ lợi kênh rk,n(t) tốc độ phát cho người dùng k sóng mang n khe thời gian t Mục đích tìm cấp sóng mang mà cho phép người dùng thỏa mãn yêu cầu tốc độ Như trình bày, vấn đề giải hai thuật toán sử dụng thông tin kênh người dùng yêu cầu tốc độ để tìm nghiệm gần nhất:  Cấp tài nguyên: định số sóng mang người dùng nhận (băng thông nó) dựa yêu cầu tốc độ độ lợi kênh trung bình người dùng gọi thuật toán cấp băng dựa SNR (BABS)  Cấp sóng mang con: sử dụng kết cấp tài nguyên thông tin kênh để cấp sóng mang tới người dùng, thuật toán Rate Craving Greedy (RCG) 50 3.5.1 Thuật toán cấp tài nguyên (BABS) Phần mô tả ấn định băng thông dựa SNR: thuật toán BABS sử dụng tốc độ yêu cầu SNR trung bình cho người dùng để định số sóng mang mà người dùng ấn định Giả thiết người dùng có độ lợi kênh sóng mang là: , | ( ) = (∑ , ( )| ) (3.5) Người dùng k cấp sóng mang mk Khi độ lợi sóng mang giống nhau, cấp công suất-tốc độ tối ưu để phát Rmink/mk bit sóng mang Để tìm phân phối sóng mang tối ưu người dùng kênh phẳng, thuật toán BABS làm việc sau: người dùng nhận mk sóng mang theo yêu cầu tốc độ họ tổng toàn sóng mang cấp không vừa với băng thông có sẵn ta phải: 3.6 Kết luận chương Trong chương này, ta tìm hiểu số thuật toán lập lịch hệ đa sóng mang OFDM, đa người dùng Các thuật toán lập lịch tìm hiểu theo tiêu chí chất lượng độ công bằng, độ trễ Thuật toán Max rate RR để làm tham chiếu đạt thông lượng hệ thống tối đa lại hoàn toàn không công hoàn toàn công không ý đến ý tưởng phân tập đa người dùng thông lượng hệ thống tốt Trong đó, thuật toán PFS RCG tối đa hóa thông lượng hệ thống đồng thời trì tính công Các thuật toán mô qua phần mềm MATLAB, với thông số mô miêu tả chi tiết chương Bỏ sóng mang từ người dùng mà có nhu cầu sóng mang Thêm sóng mang tới người dùng theo SNR Thuật toán chứng tỏ hội tụ phân bố sóng mang người dùng hàm f(Rmink/mk) giải thích xác Để so sánh với thuật toán khác, công suất cố định BS sử dụng Vì vậy, BS đơn giản phân bố công suất phát tương đương sóng mang mà không cần điều khiển công suất[3] 3.5.2 RCG Một số sóng mang xác định, bước ấn định sóng mang cụ thể tới người dùng Vấn đề khó để giải người dùng khác thấy kênh khác Thuật toán RCG bắt đầu với ước đoán tốc độ truyền người dùng sóng mang với mục đích tối đa hóa tốc độ truyền Trong mô hình sử dụng mô Rk,n(t) theo (3.2) sử dụng theo lý thuyết dung Shannon Thuật toán RCG làm việc sau: Cấp sóng mang n khe thời gian cho người dùng với tốc độ truyền tối đa rk,n(t) Khi có tồn số người dùng k mà số lượng sóng mang cấp theo tốc độ truyền tối đa lớn mk (các sóng mang cấp theo thuật toán BABS), bỏ sóng mang từ người dùng k thêm sóng mang tới người dùng l để số sóng mang cấp theo tốc độ phát tối đa mk 51 52 Bảng 4.1 Các thông số mô độ công Chương MÔ PHỎNG 4.1 Mục đích mô Trong chương 3, luận văn trình bày chi tiết số thuật toán lập lịch RR, Max Rate, PFS, RCG Trong phần mô so sánh việc thực thi ba thuật toán gồm RR, Max Rate, PFS cho việc cấp tài nguyên hệ thống độ công bằng, độ trễ thông lượng tương ứng với số người dùng Số khe thời gian 150 Số sóng mang 32 tc 20 Số người dùng 10÷50 4.2 Kịch mô Trong luận văn này, ta xem xét đường truyền xuống hệ thống phân tập đa người dùng OFDM Ta giả thiết tổng băng thông B phân chia thành N sóng mang trực giao băng hẹp Mỗi MS đo độ lợi kênh sóng mang phản hồi thông tin tin trạng thái kênh tới BS thông qua kênh phản hồi riêng Ta giả thiết ước đoán kênh thực cách hoàn hảo kênh phản hồi lỗi Sau luồng liệu người dùng chọn điều chế sơ đồ điều chế thích hợp Nói chung, fading lựa chọn tần số sóng mang khác trải qua độ lợi kênh khác cho người dùng Ta giả thiết sóng mang đủ hẹp để có fading phẳng độ lợi kênh không đổi khe thời gian thay đổi khe thời gian Cụ thể, ta xét việc thực thi ba thuật toán lập lịch RR, PFS Max Rate độ công bằng, độ trễ thông lượng tương ứng số người dùng Các tính thuật toán phân tích so sánh qua mô Matlab Tốc độ (Kb khe thời gian) 32 Tốc độ di chuyển (km/h) 4.3.2 Kết mô 4.3 Độ công 4.3.1 Thông số mô Trong phần này, thuật toán so sánh với dựa tiêu chí công Ta sử dụng thuật toán RR làm tham chiếu xử lý thuật toán đạt kết tốt số công Mô hình hệ thống mô miêu tả mục 3.2 Để đánh giá số công bằng, người dùng với đáp ứng kênh khác ngữ cảnh tất người dùng phát liệu với tốc độ không đổi, 32Kb khe thời gian[3] Hình 4.1 Độ công hệ thống theo số người dùng 53 54 Nhận xét: - Thuật toán Max rate thuật toán công cấp tài nguyên hệ thống tới người dùng mà có kênh tốt nhất, kết thu với thuật toán công luôn thăng giáng ngẫu nhiên tùy theo phân bố kênh ngẫu nhiên cho người dùng - Như ta nhìn thấy hình, thuật toán PFS có cách xử lý tốt ta thấy chương 3, với thông số tc thấp (tc =20) thuật toán trì số công tốt với người dùng RR 4.3 Độ trễ Trong môi trường vô tuyến thời gian thực, gói tin tạo ứng dụng cụ thể có liên quan đến thời hạn định (deadline) độ trễ cho phép Bất kỳ gói tin bị số nguyên nhân như: không đủ tài nguyên dùng cho gói tin, chất lượng mạng vô tuyến kém, xung đột gói tin từ ứng dụng khác Các ứng dụng khác có yêu cầu chất lượng dịch vụ khác đảm bảo xác suất bị gói tin So sánh với mạng có dây mạng không dây gặp thách thức giới hạn tài nguyên, tính di động đặc tính kênh nên xác suất gói tin lớn 4.3.1 Thông số mô Để đánh giá số độ trễ, người dùng với đáp ứng kênh khác ngữ cảnh tất người dùng phát liệu tốc độ không đổi, 32Kb khe thời gian Bảng 4.2 Các thông số mô độ trễ Số khe thời gian 150 Số sóng mang 32 tc 20 Số người dùng 10÷50 Tốc độ (Kb khe thời gian) 32 Tốc độ di chuyển (km/h) 4.3.2 Kết mô Lập lịch đảm bảo băng thông cho dịch vụ khác nhiệm vụ quan trọng Một số ứng dụng video yêu cầu băng thông lớn nhạy với độ trễ Thoại yêu cầu lượng băng thông nhỏ, nhạy với độ trễ Tất ứng dụng thỏa mãn hệ thống có đủ tài nguyên để hỗ trợ trì QoS cho ứng dụng riêng lẻ Phần mô đánh giá xác suất dừng kênh độ trễ, xác suất dừng kênh có liên quan đến dung kênh, dung kênh thấp dung dừng kênh QoS không đảm bảo với cách giải mã lỗi Điều có nghĩa kênh truyền tốc độ bé giá trị Rmin truyền lớn gói tin mà gói tin liên quan đến độ trễ cho phép Để đảm bảo khe thời gian có sẵn, có BS cấp tài nguyên hệ thống Có hàng đợi MS để giữ cho gói tin sẵn sàng gửi Nếu BS thông tin cho MS số khe thời gian có sẵn, MS chọn số gói tin từ hàng đợi để phát BS lập lịch theo băng thông có sẵn tới MS khác nhau, theo ba thuật toán: Max rate, PFS RR Hình 4.2 Xác suất dừng kênh theo độ trễ yêu cầu với số người dùng 10 55 56 Hình 4.3 Xác suất dừng kênh theo độ trễ yêu cầu với số người dùng 30 Hình 4.4 Xác suất dừng kênh theo độ trễ yêu cầu với số người dùng 50 Hình 4.5 Xác suất dừng kênh theo số người dùng Nhận xét: Các kết mô hình từ 4.2-4.4 cho ta thấy: - Xác suất dừng kênh giảm trễ cho phép tăng với thuật toán - Cùng độ trễ ta thấy xác suất người dừng kênh thuật toán PFS thấp Thuật toán RR cấp tất sóng mang tới người dùng khe thời gian lượng liệu đủ để thỏa mãn yêu cầu liệu độ trễ theo khe thời gian theo thuật toán số lượng người dùng hệ thống Vì ta muốn đạt QoS, hệ thống chấp nhận số người dùng ràng buộc độ trễ Thuật toán Max rate cấp sóng mang tới người dùng mà có SNR khỏe khe thời gian, có người dùng với đáp ứng kênh tốt kênh khác có người dùng không nhận sóng mang để phát - Nếu xét tốc độ không xác suất dừng kênh thuật toán PFS có xử lý tốt Nó đạt xác suất nhanh thuật toán khác người dùng không nhận dịch vụ tất khe thời gian mô sóng mang cấp tới người dùng có đủ để thỏa mãn yêu cầu chất lượng dịch vụ 57 58 Cuối hình 4.5, ta thấy số người dùng hệ thống tăng với độ trễ cho trước, xác suất dừng kênh tăng gói tin bị rơi lớn 4.4 Thông lượng 4.4.1 Thông số mô Bảng 4.3 Các thông số mô dung hệ thống Số khe thời gian 150 Số sóng mang 32 tc 20 Số người dùng Tốc độ (Kb khe thời gian) Tốc độ di chuyển (km/h) 10÷50 32 4.4.2 Kết mô Với thuật toán RR: thông lượng hệ thống đạt giá trị thấp thuật toán không quan tâm đến phân tập đa người dùng cấp sóng mang tới người dùng theo khe thời gian độc lập với đáp ứng kênh người dùng yêu cầu tốc độ Theo thuật toán Max Rate: thông lượng hệ thống đạt kết tốt thuật toán cấp tài nguyên hệ thống tới người dùng với kênh tốt tối đa hóa thông lượng hệ thống Số người dùng lớn hệ thống, thông lượng hệ thống lớn việc tìm kênh tốt có xác suất nhiều có nhiều người dùng Thuật toán PFS có cách xử lý tốt đạt thông lượng hệ thống tốt giá trị đạt thấp giá trị thuật toán Max rate phải trì tính công bằng.Trong trường hợp này, người dùng không trực tiếp cạnh tranh nguồn tài nguyên không hoàn toàn dựa SNR họ mà sau chuản hóa thông lượng trung bình tương ứng 4.5 Kết luận chương Trong chương này, ta phân tích tính thông qua nguyên tắc lập lịch đề xuất, theo tiêu chí QoS tính công bằng, độ trễ, thông lượng mô qua phần mềm MATLAB Thuật toán Max rate RR để làm tham chiếu đạt thông lượng hệ thống tối đa lại hoàn toàn không công hoàn toàn công không ý đến ý tưởng phân tập đa người dùng thông lượng hệ thống tốt Thuật toán PFS không để ý đến yêu cầu tốc độ, làm việc cách theo dõi thông lượng trung bình người dùng cửa sổ có chiều dài tc cấp sóng mang tới người dùng với Rk,n(t)/Tk,n(t) lớn Hình 4.6 Dung hệ thống tương ứng với số người dùng Nhận xét: Kết mô hình từ 4.6 cho ta thấy: 59 60 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận Mục tiêu luận văn khai thác ý tưởng phân tập đa người dùng, đạt qua việc khai thác đặc tính kênh người dùng thay đổi theo thời gian Để làm điều đó, luận văn trình bày khái niệm phân tập, ý đến phân tập đa người dùng Để sử dụng tốt phân tập đa người dùng, tất yếu phải xét đến tính chất kênh truyền mà người dùng có, đồng thời phải ý đến việc lập trình cho thỏa mãn yêu cầu chất lượng hệ thống với ràng buộc tính công việc phân chia tài nguyên, độ trễ cho phép loại dịch vụ ảnh hưởng số người dùng Vì kỹ thuật OFDM dùng hệ thống nên luận văn nêu khái quát đặc điểm kỹ thuật Để hiểu rõ phần nêu trên, vài phép mô tính thuật toán thường dùng hệ thống này, xét ngữ cảnh môi trường thành phố Kết giải thích cho thấy nhìn chung phù hợp với lý thuyết theo ba thuật toán RR, Maxrate, PFS trường hợp đơn giản Hướng tới Tuy nhiên, vấn đề nêu kết ban đầu Nếu điều kiện cho phép, tác giả sâu mô thông qua Matlab cho trường hợp phức tạp người dùng có tốc độ yêu cầu khác trễ, ảnh hưởng thông số tc thuật toán PFS mở rộng với thuật toán 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Adarsh B Narasimhamurthy (2010), “ Asymptotic Techiniques for space and Multi-user Diversity Analysis in wireless communications”, Dphil Thesis, Arizona state university Alexis A Dowhuszko (2006), “ Multiuser Diversity: Concepts and system aspects”, Helsinki University of Technology Alfonso Bahillo Martinez (2006), “Evaluation of multiuser scheduling algorithm in OFDM for different services”, MSc Thesis, NTNU, pp.27-36,45-72 Antonios D Valkanas (2004), “ Adaptive space-frequency coding for multiple input and multiple output orthogonal frequency division multiplexing systems”, Dphil Thesis, Huntsville, Alabama Bechir Nsiri, Mallouki Nasreddline, Mahmoud Ammar, Walid Hakimi, Mhatli Sofien (2014), “Modeling and performance evaluation of scheduling algorithms for downlink LTE cellular network”, ENIT Tunis, Tunisia Chawan-ming Wang (2002), “ Multiuser wireless communications”, Student Projects Fall David Tse and Pramod Viswanath (2005), “ Fundamentals of wireless communication”, Cambridge University Manushree Bhardwaj, Arun Gangwar, Devendra Soni (2012), “ A review on OFDM: Concept, Scope & its Applications” Richard van Nee Ramjee Prasad (2000), ”OFDM for wireless multimedia communications”, AH Boston, London 10 Theodore S Rappaport (2002), “Wireless Communication – Principles and Practice”, Prentice Hall 62 [...]... dụng phân tập đa người dùng Tính công bằng và độ trễ Để triển khai ý tưởng phân tập đa người dùng trong hệ thống thực, ta sẽ gặp phải một trong hai vấn đề sau: công bằng và độ trễ Trong trường hợp lý tưởng, thống kê của các người dùng là như nhau, chiến thuật liên lạc với người dùng có kênh tốt nhất để cực đại dung lượng tổng cộng của hệ thống và của từng người. Trong thực tế, thống kê của người dùng. .. tập Phân tập cổ điển Phân tập đa người dùng Cải thiện độ tin cậy của Tăng thông lượng qua kênh truyền thông trong kênh fading nhanh fading chậm Chiến thuật Làm giảm hiệu ứng fading Tăng hiệu năng nhờ khai thác fading của kênh Đối tượng Kịch bản Điểm-điểm Điểm -đa điểm 24 1.3.3 Đặc điểm của phân tập đa người dùng Phân tập đa người dùng có thể dùng ở đâu trong hệ tổ ong Hay nói cách khác, yêu cầu hệ tổ ong... xét trong trường hợp đơn sóng mang làm tăng thông lượng Hiện nay đa sóng mang đã được ứng dụng trong hệ thông tin LTE, WIMAX Và phân tập đa người dùng được áp dụng như thế nào trong hệ đa sóng mang, sau đây tôi sẽ tìm hiểu về hệ thống đa sóng mang OFDM trong chương tiếp theo 1.3.6 Kết luận Thông thường, nhiều hệ khi xét kết nối điểm- điểm đơn người dùng tập trung vào làm cho kiểu kết nối này càng gần... đó chú ý đến phân tập đa người dùng Để sử dụng tốt phân tập đa người dùng, tất yếu phải xét đến tính chất kênh truyền mà mỗi người dùng có, đồng thời phải chú ý đến việc lập trình sao cho thỏa mãn yêu cầu chất lượng hệ thống với các ràng buộc như tính công bằng trong việc phân chia tài nguyên, độ trễ cho phép từng loại dịch vụ và ảnh hưởng số người dùng Vì kỹ thuật OFDM được dùng trong hệ thống nên... đạt được thông lượng hệ thống tối đa thì lại hoàn toàn không công bằng và hoàn toàn công bằng thì không chú ý đến ý tưởng phân tập đa người dùng vì thế không có được thông lượng hệ thống tốt Trong khi đó, thuật toán PFS và RCG tối đa hóa thông lượng hệ thống đồng thời duy trì tính công bằng Các thuật toán sẽ được mô phỏng qua phần mềm MATLAB, với các thông số mô phỏng sẽ được miêu tả chi tiết trong chương... trên là thuật toán lập lịch công bằng tỷ lệ (PFS) trong hệ thống OFDM Trong hệ thống này, phản hồi chất lượng kênh của người dùng k trên sóng mang n trong khe thời gian t tới trạm gốc dưới dạng tốc độ dữ liệu yêu cầu Rk,n(t) Trong các hệ thống OFDM đa người dùng, thuật toán cấp tài nguyên quyết định người dùng phục vụ với công suất nào cho mỗi sóng mang con Giả thiết rằng công suất phát tổng bị ràng... các người dùng khác nhau thăng giáng độc lập để nếu có đủ số người dùng trong hệ thống, có khả năng người dùng gần với đỉnh của nó tại bất cứ thời gian nào[3] Hình 3.2 Đáp ứng kênh tần số (a) người dùng thống kê như nhau (b) người dùng thống kê không nhau 47 Thí dụ 2[7]: thuật toán lập lịch công bằng tỷ lệ trong hệ 1.25 Mhz IS-856 đường xuống xét 3 môi trường: trong môi trường cố định thì người dùng. .. sự công bằng Trong môi trường vô tuyến, kênh người dùng mạnh yếu có thể rất khác nhau, do khoảng cách khác nhau tới trạm gốc, hoặc kênh thăng giáng do fading đa đường Vì thế, lấy người dùng khỏe nhất sẽ có sự không công bằng cao hơn 3.4 Thuật toán lập lịch công bằng tỷ lệ Để thực hiện ý tưởng của phân tập đa người dùng trong hệ thống thực sẽ gặp trở ngại bởi hai vấn đề sau: công bằng và độ trễ Trong. .. toán Max Rate: thông lượng hệ thống đạt được kết quả tốt nhất do thuật toán này cấp các tài nguyên hệ thống tới các người dùng với kênh tốt nhất và nó tối đa hóa thông lượng hệ thống Số người dùng càng lớn trong hệ thống, thông lượng hệ thống càng lớn do việc tìm được một kênh tốt hơn có xác suất nhiều hơn khi có nhiều người dùng Thuật toán PFS có cách xử lý tốt hơn do đạt được thông lượng hệ thống tốt... chiếu do đạt được thông lượng hệ thống tối đa thì lại hoàn toàn không công bằng và hoàn toàn công bằng thì không chú ý đến ý tưởng phân tập đa người dùng vì thế không có được thông lượng hệ thống tốt Thuật toán PFS không để ý đến yêu cầu về tốc độ, nó làm việc bằng cách theo dõi thông lượng trung bình của mỗi người dùng trong một cửa sổ có chiều dài tc và cấp sóng mang con tới người dùng với Rk,n(t)/Tk,n(t)