Quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống OFDMA 4g

MỤC LỤC Mở đầu Error! Bookmark not defined 1.1 Bối cảnh động lực 1.2 Mục tiêu luận án 1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 1.4 Những đóng góp luận án 1.5 Cấu trúc nghiên cứu luận án CHƢƠNG II: Quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống OFDMA 2.1 Giới thiệu 2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) 2.3 Các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống OFDMA 12 2.4 Các công cụ tối ƣu 13 2.5 Cấu trúc hệ thống 14 2.6 RRM cho đƣờng xuống mạng OFDMA 15 2.7 Sự cân nhắc lựa chọn hiệu suất công ngƣời sử dụng 16 CHƢƠNG III: Phân bổ tài nguyên thích ứng công bằng/tốc độ cho mạng OFDMA 19 3.1 Giới thiệu 19 3.2 Quản lý cân nhắc lựa chọn hiệu suất tài nguyên công ngƣời dùng sử dụng tối ƣu thích ứng tốc độ 19 3.3 Phân bổ tài nguyên thích ứng công bằng/tốc độ cho hệ thống OFDMA 22 3.3.1 Tối đa tốc độ tổng dựa công (FSRM) 24 3.3.2 Tối đa hóa tốc độ tổng với ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa công (FSRM-P) 24 3.3.3 Tối đa tốc độ tối thiểu với ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa công (FMMR-P) 25 3.4 Các kỹ thuật phân bổ tài nguyên đề xuất 26 3.4.1 Phân chia sóng mang động ban đầu 28 3.4.2 Sự phân chia sóng mang động dựa công 28 3.4.3 Sự phân bổ công suất thích ứng dựa công 32 3.4.4 Sự chi tiết sách thích ứng công bằng/tốc độ 35 3.5 Các kết đánh giá 39 3.5.1 Phân tích sơ kỹ thuật thích ứng tốc độ cổ điển 41 3.5.2 Phân tích tập trung kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ 42 3.5.3 Phân tích phân phối tốc độ tỉ lệ tốc độ 44 3.5.4 Phân tích công 46 3.5.5 Phân tích hiệu suất 49 3.5.6 Phân tích hài lòng 53 3.5.7 Phân tích thời gian CPU 55 3.6 Kết 57 CHƢƠNG IV: Sự phân bổ tài nguyên dựa hàm tiện ích 60 4.1 Giới thiệu 60 4.2 Quản lý cân nhắc lựa chọn hiệu suất tài nguyên công ngƣời sử dụng sử dụng lý thuyết tiện ích 61 4.3 Sự phân bổ tài nguyên vô tuyến dựa hàm tiện ích cho hệ thống OFDMA 62 4.3.1 Dịch vụ phi thời gian thực 63 4.3.2 Dịch vụ thời gian thực 68 4.4 Các khung phân bổ nguồn tài nguyên thích ứng 70 4.4.1 Quy tắc Alpha dựa hàm tiện ích cho dịch vụ phi thời gian thực 71 4.4.2 Quy tắc Beta dựa hàm tiện ích cho dịch vụ thời gian thực 75 4.5 Kết đánh giá 80 4.5.1 Đánh giá hiệu suất khung quy tắc Alpha 82 4.5.2 Đánh giá hiệu suất khung quy tắc Beta 93 4.5.3 Thực so sánh thích ứng công bằng/tốc độ phân bổ nguồn tài nguyên dựa hàm tiện ích kịch với dịch vụ NRT 102 4.6 Kết luận 105 CHƢƠNG V: KẾT LUẬN 107 5.1 Các kết luận 107 5.2 Công việc tƣơng lai 110 Tài liệu tham khảo DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU 3GPP.3rd Generation Partnership Tổ chức đối tác hệ thứ Project 3GPP2.3rd Generation Partnership Tổ chức đối tác phát triển hệ Project 3G Third Generation Thế hệ thứ ba 4G Fourth Generation Thế hệ thứ tƣ ADF Adaptive Delay-Based Công dựa trễ thích ứng Fairness AMC Adaptive Modulation and Điều chế mã hóa thích ứng Coding APA Adaptive Power Allocation Phân bổ công suất thích ứng ATF Adaptive Throughput-Based Công dựa thông lƣợng Fairness thích ứng BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc CDF Cumulative Distribution Hàm phân phối tích lũy Function CDMA Code Division Multiple Đa truy cập phân chia theo mã Access CFI Cell Fairness Index Chỉ số công tế bào CFT Cell Fairness Target Mục tiêu công tế bào CNR Channel-to-Noise Ratio Tỉ số kênh nhiễu CoMP Coordinated Multi-Point Đa điểm phối hợp CPU Central Processing Unit Đơn vị xử lý trung tâm CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DAS Distributed Antenna System Hệ thống Anten phân phối DSA Dynamic Sub-carrier Phân bổ sóng mang động Assignment DSL Digital Subscriber Line Đƣờng thuê bao số EI Efficiency Indicator Chỉ số hiệu suất EPA Equal Power Allocation Phân bổ công suất ngang FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia theo tần số FER Frame Erasure Rate Tốc độ xóa khung FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FI Fairness Indicator Chỉ số công FIFO First-In-First-Out Vào đầu đầu FMMR-P Fairness-Based Max-Min Tối đa tốc độ tối thiểu với ràng Rate with Proportional Rate buộc tốc độ tỉ lệ dựa công Constraints FSRM FSRM-P Fairness-Based Sum Rate Tối đa tốc độ tổng dựa công Maximization Fairness-Based Sum Rate Tối đa tốc độ tổng với ràng buộc Maximization with tốc độ tỉ lệ dựa công Proportional Rate Constraints FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền File HDR High Data Rate Tốc độ liệu cao HOL Head-Of-Line Đầu hàng HSDPA High Speed Downlink Truy cập gói đƣờng xuống tốc độ Packet Access cao HSPA High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao ID Identification Number Số xác minh IEEE Institute of Electrical and Hội kỹ sƣ điện điện tử di dộng Electronics Engineers giới International Mobile IMT-2000 Telecommunications for the Truyền thông cho năm 2000 year 2000 ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên kí tự ITU International Đơn vị truyền thông quốc tế Telecommunications Union LTE Long Term Evolution LTE- Long Term Evolution- Advanced Advanced MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập trung bình MCS Modulation and Coding Phƣơng pháp điều chế mã hóa Scheme MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu Modified Largest Weighted Điều chỉnh trọng số trễ lớn đầu Delay First tiên MMF Max-Min Fairness Tối đa công tối thiểu MMR Max-Min Rate Tối đa tốc độ tối thiểu MMR-P Max-Min Rate with Tối đa tốc độ tối thiểu với ràng Proportional Rate buộc tốc độ tỉ lệ M-LWDF Constraints MR Max-Rate Tốc độ tối đa MT Mobile Terminal Thuê bao di động NRT Non-Real Time Phi thời gian thực OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần số Division Multiplexin trực giao Orthogonal Frequency Đa truy cập phân chia theo tần số Division Multiple Access trực giao Peak to Average Power Tỉ số công suất trung bình đỉnh OFDMA PAPR Ratio PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PF Proportional Fairness Công tỉ lệ PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý PSC Packet Scheduling Lập lịch gói QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phƣơng Modulation QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Khóa dịch pha cầu phƣơng Keying RAT Radio Access Technology Công nghệ truy cập vo tuyến RRA Radio Resource Allocation Phân bổ tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resource Quản lý tài nguyên vô tuyến Management RT Real Time Thời gian thực SC- Single Carrier Frequency Đa truy cập phân chia tần số sóng FDMA Division Multiple Access mang đơn SINR Signal-to-Interference plus Tỉ số tín hiệu nhiễu cộng tạp Noise Ratio âm SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu SRM Sum Rate Maximization Tối đa tốc độ tổng SRM-P Sum Rate Maximization Tối đa tốc độ tổng với ràng buộc with Proportional Rate tốc độ tỉ lệ Constraints TDMA Time Division Multiple Đa truy cập phân chia theo thời gian Access TTI Transmission Time Interval Khoảng thời gian truyền tải UFI User Fairness Index Chỉ số công ngƣời sử dụng UMTS Universal Mobile Hệ thống truyền thông di dộng quốc Telecommunications System tế VoIP Voice over IP Thoại IP WCDMA Wideband CDMA WiMAX CDMA Wimax băng rộng Worldwide bhol Số lƣợng bit gói đầu hàng Hiệu suất truyền tải khả dụng sóng mang thứ k ngƣời cj,k[n] sử dụng thứ j d Khoảng cách trạm gốc ngƣời sử dụng dholj Trễ đầu hàng ngƣời sử dụng j dhol,filtj Trễ đầu hàng lọc ngƣời sử dụng j dreqj Yêu cầu trễ ngƣời sử dụng j fdelay Hằng số lọc trung bình trễ đầu hàng fthru Hằng số lọc sử dụng trung bình thông lƣợng J Tổng số lƣợng ngƣời sử dụng K Tổng số lƣợng sóng mang Lpathj Nhiễu đƣờng phụ thuộc khoảng cách ngƣời sử dụng j Lshadowj Nhiễu Shadow ngƣời sử dụng j Lfastj,k Fading nhanh ngƣời sử dụng j sóng mang k pk Công suất truyền tải sóng mang k prxj,k Công suất nhận ngƣời sử dụng j sóng mang k Công suất nhận trung bình ngƣời sử dụng j sóng mang prxj,k k pnoise Công suất nhiễu Ptotal Tổng công suất truyền tải BS Rj Tốc độ truyền tải ngƣời sử dụng j Rcell Tốc độ tế bào tổng S Tập tất sóng mang hệ thống Sj Tập sóng mang phân bổ cho ngƣời sử dụng j ttti Khoảng thời gian truyền tải Treqj Yêu cầu thông lƣợng ngƣời sử dụng j Uj(⋅) Hàm tiện ích ngƣời sử dụng j wnrtj Trọng số dựa hàm tiện ích cho dịch vụ phi thời gian thực wrtj Trọng số dựa hàm tiện ích cho dịch vụ thời gian thực Tham số điều khiển tính công khung quy tắc alpha dựa α hàm tiện ích Tham số điều khiển tính công khung quy tắc beta dựa β hàm tiện ích Tỉ số kênh nhiễu sóng mang thứ k ngƣời sử dụng γj,k j Γ Khoảng SNR ∆f Băng thông sóng mang ∆p Phần công suất truyền tải để hỗ trợ thích ứng công δj,k Tỉ số tín hiệu nhiễu ngƣời sử dụng j sóng mang k Tỉ số tín hiệu nhiễu trung bình ngƣời sử dụng j sóng δj,k mang k εnrt Kích thƣớc bƣớc vòng lặp điều khiển kỹ thuật ATF εrt Kích thƣớc bƣớc vòng lặp điều khiển kỹ thuật ADF ϑ Hệ số tạp âm Nếu thích ứng liên kết rời rạc đƣợc sử dụng, toán tử lƣợng tử hóa cần phải đƣợc xem xét Giả sử mức điều chế rời rạc m = {2, 4, 6, }, thủ tục lƣợng tử hóa đƣợc định nghĩa 2[cj, k/2] Trong [x] toán tử trả số nguyên lớn nhỏ x Đƣờng cong thích ứng liên kết đƣợc sử dụng mô đƣợc mô tả hìnhA.7 Hình A.7: Đƣờng cong thích ứng liên kết Một đạt đƣợc tốc độ truyền tải Hz sóng mang con, tốc độ truyền tải liệu đƣờng xuống cho MT đƣợc tính toán Trong trình phân chia sóng mang con, giả định sóng mang đƣợc phân chia tới MT Giả sử sóng mang Sj đƣợc phân chia cho MT thứ j, tốc độ truyền tải đƣợc tính nhƣ sau: cj, k công suất kênh Hertz sóng mang thứ k phân chia cho MT thứ j đƣợc (A.9) Δf băng thông sóng mang Tốc độ tổng hệ thống tổng Rj tất MT, nhƣ đƣợc dƣới đây: Hình A.8 đƣa PDF chuẩn hóa tốc độ truyền tải ví dụ mô thể phần A.4.2 Nhƣ vậy, giá trị tốc độ liệu kết thủ tục thích ứng liên kết xem xét giá trị SNR đƣa hình A.6 (b) Đƣờng cong thích ứng liên kết đƣợc sử dụng ví dụ đƣờng cong công suất Shannon thực tế đƣợc đƣa hình A.7 Hình A.8 (a) so sánh tốc độ đƣợc cung cấp ba thuật toán phân chia sóng mang khác nhau, cụ thể MMF, PF MR Kết phù hợp quan sát thấy SNR thấp, tốc độ liệu thấp Ví dụ, sách MMF không đƣa vào tính toán chất lƣợng kênh MMF không hiệu cung cấp tốc độ truyền tải thấp Hình A.8 (b) phân tích PDF thuật toán PF so sánh kết đƣờng cong thích ứng liên kết liên tục (công suất Shannon thực tế) đƣờng cong thích ứng liên kết rời rạc (xem hình A.7) Đối với trƣờng hợp thích ứng liên kết rời rạc, ba phƣơng án điều chế đƣợc xem xét là: Khóa dịch pha cầu phƣơng (QPSK), 16-QAM 64-QAM (m = {2, 4, 6}, tƣơng ứng) Hình A.8: Các hàm mật độ xác suất chuẩn hóa dạng tốc độ liệu sóng mang lấy từ mô sử dụng thuật toán phân chia sóng mang khác A.6 Mô hình truyền tải Các mô đƣợc sử dụng luận án sử dụng hai mô hình truyền tải, mô hình thích hợp cho dịch vụ phi thời gian thực(NRT) thời gian thực(RT) tƣơng ứng Dịch vụ NRT (nhƣ World Wide Web (WWW) giao thức truyền tải File (FTP)) không nhạy cảm với trễ yêu cầu thông lƣợng tổng cao Trong dịch vụ RT (nhƣ Voice over IP (VoIP) hội nghị truyền hình) yêu cầu trễ thấp bị chặn Mô hình truyền tải đƣợc sử dụng cho dịch vụ NRT mô hình toàn đệm Nó giả định đệm MT nằm MBS có liệu đƣợc truyền tải Đó giả định đƣợc sử dụng rộng rãi nhiều công trình tài liệu đánh giá kỹ thuật phân bổ tài nguyên vô tuyến (RRA) cho hệ thống OFDMA Ý tƣởng đằng sau mô hình số dịch vụ đa phƣơng tiện NRT đƣợc cung cấp hệ hệ thống băng thông rộng di động yêu cầu truyền tải lƣợng lớn liệu, ví dụ nhƣ hình ảnh độ nét cao, âm nhạc video Hơn nữa, mô hình toàn đệm đặc trƣng cho kịch tồi tệ liên quan đến tải hệ thống Vì tất kỹ thuật RRA phù hợp cho dịch vụ NRT nghiên cứu luận án xem xét mô hình tƣơng tự, so sánh hiệu suất tƣơng đối có giá trị Chúng ta xem xét mô hình truyền tải đơn giản cho dịch vụ RT bao gồm tạo thành ổn định gói 32 byte ms Sự trễ gói tin đƣợc tính toán phải lƣu ý ngân sách trễ RT mạng truy cập vô tuyến Nếu gói tin đến thiết bị thu lâu ngân sách trễ gói tin bị hủy bỏ A.7 Các số liệu hiệu suất A.7.1 Thông lƣợng Thông lƣợng (tốc độ liệu trung bình) MT thứ j đƣợc tính toán cách sử dụng lọc thông thấp theo cấp số nhân, nhƣ đƣợc (A.12) Rj[n] tốc độ liệu tức thời MT thứ j cho (A.10) fthru số lọc A.7.2 Trễ Trễ đầu hàng (HOL) thời gian gói tin lâu đệm ngƣời sử dụng phải chờ trƣớc truy cập vào kênh không dây Xem xét MT chung j, đƣợc tính toán xấp xỉ phƣơng trình đệ quy sau đây: bholj[n] số lƣợng bit gói HOL, ttti thời gian TTI (giây), Tj[n1] tốc độ liệu trung bình (thông lƣợng) cho (A.12) lên đến khoảng thời gian truyền tải trƣớc Rj[n] tốc độ truyền tải tức thời cho (A.10) Nếu MT thứ j không đƣợc phục vụ sóng mang TTI thứ n, Rj[n] không trễ HOL tăng lên Sự tăng trễ đƣợc tính toán giả định bit lại gói HOL đƣợc truyền tải tốc độ tƣơng ứng với thông lƣợng đƣa MT Để đơn giản, giả định thời gian nhận gói tin thời gian TTI Nếu tốc độ truyền tải tức thời nhƣ tất bit lại gói HOL đƣợc truyền TTI tại, trễ HOL không đổi gói tin trƣớc đệm gói HOL Cuối cùng, trễ HOL đƣợc giảm tốc độ truyền tải đạt đƣợc tức thời đủ cao để truyền tải bit lại gói HOL số bit gói tin trƣớc hàng đợi Để thực điều khiển công dựa trễ HOL, ta nên thực lọc số mũ nhƣ đƣợc dƣới đây: dholj[n] trễ HOL MT thứ j fdelay số lọc A.7.3 Chỉ số công Chỉ số công Jain đƣợc biết đến đo tính công định lƣợng ban đầu đƣợc đề xuất Jain [86] Hàm công Jain tổng quát độc lập số liệu phân bổ đƣợc sử dụng Các phiên đặc biết số công xem xét số liệu phân bổ khác đƣợc sử dụng rộng rãi suốt luận văn Xem xét số liệu phân bổ chung = [x1, , Xj, , XJ], hàm công Jain đƣợc giải thích rõ giá trị biến đổi dự kiến nhƣ sau: Chỉ số có số đặc tính thú vị [86]:  Các công bị chặn (hoặc 0% 100%) Sự phân bổ hoàn toàn công (tất xj nhau) có tính công 1, phân bổ hoàn toàn không công (tất nguồn tài nguyên cho ngƣời sử dụng) có tính công 1/J, J → ∞  Tính công độc lập với quy mô, tức đơn vị đo lƣờng không quan trọng  Tính công hàm liên tục Bất kỳ thay đổi nhỏ việc phân bổ đƣợc phản ánh vào tính công A.7.4 Sự hài lòng ngƣời sử dụng Định nghĩa hài lòng phụ thuộc vào loại hình dịch vụ mà MT sử dụng, tức dịch vụ NRT RT Một ngƣời sử dụng NRT đƣợc coi thoả mãn thông lƣợng phiên cao ngƣỡng Thời gian phiên phụ thuộc vào khoảng thời gian kết xuất mô độc lập Nếu kỹ thuật RRA đƣợc đánh giá dựa tốc độ liệu tức thời, khoảng thời gian kết xuất mô phỏng, phiên ngƣời sử dụng TTI Nếu chiến lƣợc RRA dựa tốc độ liệu trung bình (thông lƣợng) đƣợc đánh giá, khoảng thời gian phiên ngƣời sử dụng kết xuất lâu Một ngƣời sử dụng RT đƣợc coi thoả mãn tốc độ xóa khung (FER) thấp ngƣỡng Trong mô hình mô chúng tôi, giả định khung bị gói tin đến máy thu MT muộn ngân sách trễ dịch vụ RT A.7.5 Thời gian CPU Thời gian xử lý yêu cầu kỹ thuật RRA để tìm giải pháp phân bổ thƣớc đo phức tạp thuật toán Để so sánh kỹ thuật khác cách công bằng, mô sử dụng tính toán số liệu hiệu suất máy Cấu hình phần cứng phần mềm máy đƣợc đƣa dƣới  Phần cứng - ACPI Multiprocessor x64-based PC; - Intel Core Quad CPU; - Q6600, 2.40 GHz; - 7.92 GB of RAM  Phần mềm - Microsoft Windows Server 2003 R2; - Enterprise x64 Edition, Service Pack A.8 Cấu trúc mô Mô hệ thống-cấp thời gian rời rạc đƣợc phát triển cách sử dụng phần mềm tính toán kỹ thuật Matlab Sơ đồ khối cấu trúc mô đƣợc đƣa hình A.9 Các bƣớc mô đƣợc liệt kê dƣới đây: Kịch mô phỏng: Đầu vào thông số cho đặc trƣng kịch bản, chẳng hạn nhƣ: số lƣợng ngƣời sử dụng macrocell, loại hình dịch vụ, kỹ thuật RRA, thuật toán phân chia sóng mang phân bổ công suất, thời gian mô phỏng… Khởi tạo thông số mô Tạo đƣờng cong thích ứng liên kết: Tạo đƣờng cong đƣa hình A.7 Tạo suy hao đƣờng dẫn shadowing: Tạo suy hao đƣờng dẫn fading quy mô lớn (shadowing) cho toàn mô theo phần A.3.1 A.3.2, tƣơng ứng Vòng lặp (TTI) a) Tạo fading nhanh: Tạo mẫu fading nhanh miền thời gian tần số theo mục A.3.3 b) Tạo truyền tải lƣu lƣợng: Tạo gói liệu đƣợc truyền theo mô hình truyền tải thích hợp, nhƣ đƣợc giải thích phần A.6 c) Tính toán công bằng: Tính toán số công ngƣời sử dụng (số liệu phân bổ) số công tế bào nhƣ phần A.7.3 Thông tin cần thiết kỹ thuật RRA đề xuất luận án d) Phân chia sóng mang con: Thực thuật toán phân chia sóng mang tƣơng ứng theo kỹ thuật RRA đƣợc đánh giá e) Phân bổ công suất: Xác định mức công suất sóng mang tùy thuộc vào kỹ thuật RRA chọn f) Tính toán tốc độ: Sau phân chia sóng mang phân bổ công suất đƣợc xác định, tính toán SNR tất sóng mang hệ thống Sau tính toán SNR, thực thủ tục thích ứng liên kết theo phần A.5, tính toán tốc độ truyền tải tất ngƣời sử dụng g) Truyền tải: Căn vào tốc độ truyền tải bƣớc trên, biết số lƣợng bit đƣợc truyền cho ngƣời sử dụng Những bit đƣợc lấy từ gói đệm ngƣời sử dụng h) Kiểm tra số lần lặp lại: Kiểm tra xem số lần lặp đạt đến giá trị mong muốn Nếu đạt đến giá trị số lần lặp mong muốn, mô kết thúc đến bƣớc cuối dƣới Nếu không, vòng lặp tiếp tục Lƣu kết quả: Trong bƣớc cuối này, tất kết mô đƣợc lƣu lại Hình A.9: Cấu trúc mô hệ thống-cấp Phụ lục B Các sách thích ứng tốc độ cổ điển Trong phụ lục này, ba sách thích ứng tốc độ cổ điển đƣợc mô tả Chúng chọn ba tài liệu tham khảo (đó theo ý kiến chúng tôi), công trình nghiên cứu tiêu biểu ba phƣơng pháp phân bổ tài nguyên vô tuyến (RRA) xem xét chƣơng 3: Tối đa tốc độ tổng (SRM) [61] (phần B.2), Tối đa tốc độ tổng với ràng buộc tốc độ tỉ lệ (SRM-P) [87] (phần B.3) tối đa tốc độ tối thiểu (MMR) [64] (phần B.4) Chú ý phần B.4, tổng quát vấn đề ban đầu đƣợc mô tả [64] đƣợc đề xuất để đƣa vào tính toán ràng buộc tốc độ tỉ lệ Vấn đề thích ứng tốc độ đƣợc gọi tối đa tốc độ tối thiểu với ràng buộc tốc độ tỉ lệ (MMR-P) Tất sách thích ứng tốc độ cổ điển chia sẻ tảng tối ƣu chung Chúng đƣợc xây dựng phần B.1 B.1 Xây dựng vấn đề tối ƣu chung Tất sách thích ứng tốc độ cổ điển đƣợc xem xét luận án chia sẻ khung chung đƣợc xây dựng nhƣ vấn đề tối ƣu RRA, nhƣ sau: Trong đó, J K tổng số thiết bị đầu cuối di động (MT) sóng mang con, tƣơng ứng; ρj,k số kết nối có giá trị sóng mang thứ k có đƣợc phân chia cho MT thứ j hay không; pk công suất sóng mang thứ k; Ptotal tổng công suất phát trạm gốc macrocell (MBS); f (ρj,k, ρk) hàm mục tiêu chung phụ thuộc vào phân chia sóng mang phân bổ công suất Các ràng buộc (B.2) (B.3) nói sóng mang phải đƣợc phân chia cho ngƣời sử dụng thời gian nào, ràng buộc (B.4) (B.5) nêu lên công suất sóng mang phải số dƣơng tổng công suất tất sóng mang phải thấp với tổng công suất phát MBS Việc tối ƣu thích ứng tốc độ (B.1) - (B.5) vấn đề lập trình số nguyên nhị phân hỗn hợp, liên quan đến hai biến nhị phân ρj,k biến liên tục pk Vấn đề không lồi (convex) ràng buộc số nguyên (B.2) làm cho không lồi (nonconvex) khả thi Vấn đề RRA chung xây dựng đƣợc riêng biệt sách thích ứng tốc độ cổ điển khác cách xem xét hàm mục tiêu khác và/hoặc ràng buộc tối ƣu nhƣ hiển thị phần sau B.2 Tối đa tốc độ tổng (SRM) Hàm mục tiêu sách SRM tối đa công suất hệ thống, nhƣ đƣợc dƣới đây: Trong đó, γj,k tỷ số kênh nhiễu (CNR) sóng mang thứ k MT thứ j Vấn đề (B.1) - (B.5) xem xét hàm mục tiêu (B.6) đƣợc giải [61] cách sử dụng phƣơng pháp hai bƣớc: 1) Phân chia sóng mang động (DSA) cho ngƣời sử dụng 2) phân bổ công suất thích ứng (APA) cho sóng mang Bƣớc khẳng định sóng mang nên đƣợc phân chia tới ngƣời sử dụng nhất, ngƣời có độ lợi kênh tốt cho sóng mang (nhƣ đƣợc thuật toán B.1) Bƣớc thứ hai bao gồm thực phân bổ công suất waterfilling tất sóng mang đƣợc phân bổ trƣớc (nhƣ thể thuật toán B.2) Một mặt, giải pháp tối đa thông lƣợng tế bào nhƣng mặt khác không công để phục vụ ƣu tiên ngƣời sử dụng gần với MBS (ngƣời sử dụng với điều kiện kênh tốt nhất) bỏ qua tất ngƣời khác Thuật toán B.1 Phân chia sóng mang động (DSA) kỹ thuật SRM Ban đầu 1: M ← {1,2,3,⋯J} // Users set 2: S ← {1,2,3,⋯K} // Sub-carriers set 3: for all j ∈ M and k ∈ S 4: ρj,k ← // Reset connection matrix 5: Sj ← ∅ // Reset user sub-carrier subset 6: end for Phân chia sóng mang 7: for all k ∈ S 8: j∗ ← arg maxj{γj,k} // Find user with maximum channel quality on sub-carrier k 9: ρj∗,k ← // Set the connection 10: Sj∗ ← Sj∗ ⋃ {k} // Update user sub-carrier subset 11: end for Thuật toán B.2 Phân bổ công suất thích ứng (APA) kỹ thuật SRM Ban đầu 1: S ← {1,2,3,⋯K} // Sub-carriers set Phân bổ công suất // After sub-carrier assignment is determined by Algorithm B.1, multi-user waterfilling is performed over all sub-carriers 2: for all k ∈ S 3: pk=[µ−1/γj,k[n]]+//µ is the water level and the operator [⋅]+ is defined as [x]+≜ max(0,x) 4: end for B.3 Tối đa tốc độ tổng với ràng buộc tốc độ tỉ lệ (SRM-P) Cố gắng để cân cân nhắc lựa chọn công suất tính công bằng, tham khảo [87] xem xét vấn đề tối ƣu ban đầu đƣợc đề xuất [85], gọi SRM-P Vấn đề SRM-P có hàm mục tiêu (B.6) ràng buộc (B.2) - (B.5) vấn đề RRA chung xây dựng trƣớc với bổ sung tập ràng buộc phi tuyến vào vấn đề tối ƣu, nhƣ đƣợc dƣới đây: Ràng buộc (B.7) cho tốc độ ngƣời sử dụng phải tuân theo yêu cầu tốc độ tỉ lệ cho thực kênh, đảm bảo tốc độ ngƣời sử dụng khác tỷ lệ thời điểm Vấn đề SRM-P không lồi ràng buộc số nguyên số kết nối ρj,k ràng buộc cân phi tuyến đƣợc hiển thị (B.7) Giải pháp tối ƣu đề xuất [85] sử dụng phƣơng pháp hai bƣớc (DSA APA) Trong bƣớc đầu tiên, theo phƣơng pháp đoán thực [64], sóng mang đƣợc phân bổ cố gắng tuân theo ràng buộc tốc độ tỉ lệ nhiều giả định phân bổ công suất đồng Trong bƣớc thứ hai, sau cố định phân bổ sóng mang con, phân bổ công suất tối ƣu đƣợc thực để đáp ứng cách xác ràng buộc tốc độ tỉ lệ Tuy nhiên, thuật toán đƣợc đề xuất [85] liên quan đến việc giải phƣơng trình phi tuyến, đòi hỏi thực tính toán lặp lặp lại phức tạp Do không thích hợp cho việc thực thời gian thực hiệu Tham khảo [87] mở rộng công trình [85] cách phát triển phƣơng pháp phân chia sóng mang con, tuyến tính vấn đề phân bổ công suất đạt tốc độ xấp xỉ tƣơng xứng Phƣơng pháp phân chia sóng mang đƣợc thể thuật toán B.3 Sau phân chia sóng mang đƣợc mô tả thuật toán B.3, vấn đề tối ƣu SRM-P đƣợc đơn giản hóa thành tối đa biến liên tục pk, đƣợc giải cách tối ƣu Hơn nữa, nhƣ hệ phƣơng pháp phân chia sóng mang con, ta có Nj số sóng mang dành cho ngƣời sử dụng thứ j Sự xấp xỉ chặt chẽ K → ∞ K »J Đây giả định hợp lý cho hệ thống không dây có sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) Sự xấp xỉ (B.8) đƣợc thực hệ thống thực tế, tuân thủ ràng buộc tỉ lệ không cần phải thực nghiêm túc [87] Bảo đảm mềm chấp nhận đƣợc miễn công suất tối đa mức độ phức tạp thuật toán thấp Sự xấp xỉ đƣợc sử dụng để nới lỏng ràng buộc B.7 vấn đề tối ƣu SRM-P Với đơn giản hóa này, kết vấn đề phân bổ công suất giảm đến giải pháp phƣơng trình tuyến tính đồng thời Điều tìm thấy tối ƣu với thời gian tính toán (xem thuật toán B.4) Việc phân chia công suất đƣợc thực theo hai bƣớc: phân bổ công suất ngƣời sử dụng (dòng 3-13) phân bổ công suất toàn sóng mang cho ngƣời sử dụng (dòng 14-19) Bƣớc giải đƣợc tập phƣơng trình tuyến tính đồng thời phân chia tổng công suất Pj cho ngƣời sử dụng để tối đa công suất bắt buộc tỉ lệ tốc độ Bƣớc thứ hai thực waterfilling phân chia công suất pk cho sóng mang ngƣời sử dụng tùy thuộc vào ràng buộc công suất tổng Pj Thuật toán B.3 Phân chia sóng mang động (DSA) kỹ thuật SRM-P Đầu tiên 1: M ← {1,2,3,⋯J} // Users set 2: S ← {1,2,3,⋯K} // Sub-carriers set 3: for all j ∈ M and k ∈ S 4: ρj,k ← // Reset connection matrix 5: Sj ← ∅ // Reset user sub-carrier subset 6: Rj ← // Reset user rate 7: Nj ← ⌊λjK⌋ // Number of sub-carriers reserved to user j 8: end for 9: Nres ← K − ∑Jj=1 Nj // Number of unallocated sub-carriers Phân chia sóng mang 10: for all j ∈ M 11: Sort γj,k in ascending order 12: k∗ ← arg maxk{γj,k},∀k ∈ S // Find available sub-carrier with maximum channel quality on user j 13: ρj,k∗ ← // Set the connection 14: Sj ← Sj ⋃ {k∗} // Update user sub-carrier subset 15: Nj ← Nj − // Update number of sub-carriers reserved to user j 16: S ← S∖{k∗} // Update set of available sub-carriers 17: Rj ← Rj + rj,k∗ // Update user rate considering equal power allocation 18: end for 19: while ∣S∣ > Nres // ∣⋅∣ is the cardinality operator 20: j∗ ← arg minj{Rj/λj},∀j ∈ M // Find available user with minimum proportional rate 21: k∗ ← arg maxk{γj∗,k},∀k ∈ S // Find available sub-carrier with maximum channel quality on user j∗ 22: if Nj∗ > then 23: ρj∗,k∗ ← // Set the connection 24: Sj∗ ← Sj∗ ⋃ {k∗} // Update user sub-carrier subset 25: Nj∗ ← Nj∗ − // Update number of sub-carriers reserved to user j∗ 26: S ← S ∖ {k∗} // Update set of available sub-carriers 27: Rj∗ ← Rj∗ + rj∗,k∗ // Update user rate 28: else 29: M ← M ∖ {j∗} // Update set of available users 30: end if 31: end while 32: M ← {1,2,3,⋯J} // Reset users set 33: for all k ∈ S // Set of unallocated sub-carriers 34: j∗ ← arg maxj{γj,k} // Find user with maximum channel quality on sub-carrier k 35: ρj∗,k ← // Set the connection 36: Sj∗ ← Sj∗ ⋃ {k} // Update user sub-carrier subset 37: Rj∗ ← Rj∗ + rj∗,k // Update user rate 38: M ← M ∖ {j∗} // Update set of available users 39: end for Thuật toán B.4 Phân bổ công suất thích ứng (APA) kỹ thuật SRM-P Đầu tiên 1: M ← {1,2,3,⋯J} // Users set 2: S ← {1,2,3,⋯K} // Sub-carriers set Phân bổ công suất ngƣời sử dụng // After sub-carrier assignment is determined by Algorithm B.3, power allocation per user is performed 3: for all j ∈ M 4: Sort γj,k in ascending order 5: Vj ← ∑N k= j2 γ γ j,k j,k− ⋅ γ γ j, j,1 // Nj is the number of sub-carriers assigned to user j 6: Wj ← (∏N k= j2 γ γj,k j,1 )1 Nj 7: aj,j ← − N N1j⋅ γj,1⋅ Wjγ1,1⋅ W1 8: bj ←N1 γ1,1 (Wj − W1 + γ1,1N ⋅ V1 1⋅ W1 + γj,1⋅ N Vj j⋅ Wj ) 9: end for 10: P1 ← (Ptotal − ∑J j=2 ab j,j j ) / (1 − ∑J j=2 aj,j ) // Power allocated to the first user 11: for j = to J 12: Pj ← (bj − P1) /aj,j // Power allocated to other users 13: end for Phân bổ công suất sóng mang ngƣời sử dụng // After calculating the power per user, waterfilling is performed among the sub-carriers of each user 14: for all j ∈ M 15: p1 ← Pj N –Vj j // Power allocated to the 1st sub-carrier of user j 16: for k = to K 17: pk ← p1 + γj,k−γj,1 γj,k⋅ γj,1// Power allocated to other sub-carriers of user j 18: end for 19: end for B.4 Tối đa tốc độ tối thiểu với ràng buộc tốc độ tỉ lệ (MMR-P) Để tăng tính công ngƣời sử dụng hệ thống OFDMA, tham khảo [64] đề xuất vấn đề tối ƣu MMR, giải pháp tối đa tốc độ liệu ngƣời sử dụng tối thiểu Tối đa công suất ngƣời sử dụng xấu nhất, đảm bảo tất ngƣời sử dụng đạt đƣợc tốc độ liệu tƣơng tự, công tối đa ngƣời sử dụng đƣợc cung cấp Vấn đề tối ƣu hóa MMR gốc đề xuất [64] không lồi ràng buộc rời tập sóng mang con, tức sóng mang đƣợc chia sẻ nhiều ngƣời sử dụng lúc Tham khảo [64] cho thấy xây dựng vấn đề lồi ràng buộc đƣợc nới lỏng Tuy nhiên, tác giả kết luận giải pháp tối ƣu đòi hỏi tính toán chuyên sâu chất đệ quy việc giải vấn đề tối ƣu lồi Luận án mở rộng công trình [64] đề xuất vấn đề tối ƣu MMR-P Xây dựng công thức toán học sách MMR-P đề xuất có khó khăn tƣơng tự SRM-P, bao gồm ràng buộc tốc độ tỉ lệ cho (B.7) Ràng buộc cho phép tính công tối đa cho trƣờng hợp chung với số lớp dịch vụ ƣu tiên khác Tuy nhiên, vấn đề MMR-P có hàm mục tiêu khác, tối đa công suất ngƣời sử dụng tối thiểu đƣợc mô tả nhƣ sau: Giống nhƣ sách MMR gốc, vấn đề tối ƣu MMR-P không lồi đòi hỏi giải pháp tối ƣu đoán Dựa [64], giải pháp đƣợc đề xuất bao gồm phân chia sóng mang phân bổ công suất phân tách Thuật toán B.5 đƣa mã giả thuật toán DSA MMR-P, thêm vào giải pháp ban đầu đƣợc đƣa [64] xem xét ràng buộc tốc độ tỉ lệ Dòng 8-14 thuật toán B.5 cho thấy ban đầu ngƣời sử dụng chọn sóng mang tốt Bƣớc thể dòng 15-22, ngƣời sử dụng với tốc độ tỉ lệ tối thiểu phải đƣợc ƣu tiên lựa chọn sóng mang tốt số sóng mang lại Đây thuật toán đoán với độ phức tạp nhỏ cung cấp giải pháp tối ƣu gần tới tối ƣu [64] Sau [64], xem xét phân bổ công suất ngang (EPA) bƣớc phân bổ công suất (nhƣ đƣợc thuật toán B.6) Thuật toán B.5 Phân chia sóng mang động (DSA) kỹ thuật MMR-P Ban đầu 1: M ← {1,2,3,⋯J} // Users set 2: S ← {1,2,3,⋯K} // Sub-carriers set 3: for all j ∈ M and k ∈ S 4: ρj,k ← // Reset connection matrix 5: Sj ← ∅ // Reset user sub-carrier subset 6: Rj ← // Reset user rate 7: end for Phân chia sóng mang 8: for all j ∈ M 9: k∗ ← arg maxk{γj,k},∀ k ∈ S // Find available sub-carrier with maximum channel quality on user j 10: ρj,k∗ ← // Set the connection 11: Sj ← Sj ⋃ {k∗ } // Update user sub-carrier subset 12: S ← S ∖ {k∗ } // Update set of available sub-carriers 13: Rj ← Rj + rj,k∗ // Update user rate considering equal power allocation 14: end for 15: while S ≠ ∅ 16: j∗ ← arg minj{Rj/λj} // Find user with minimum proportional rate 17: k∗ ← arg maxk{γj∗ ,k},∀ k ∈ S // Find available sub-carrier with maximum channel quality on user j∗ 18: ρj∗ ,k∗ ← // Set the connection 19: Sj∗ ← Sj∗ ⋃ {k∗ } // Update user sub-carrier subset 20: Rj∗ ← Rj∗ + rj∗ ,k∗ // Update user rate 21: S ← S ∖ {k∗ } // Update set of available sub-carriers 22: end while Thuật toán B.6 Phân bổ công suất ngang (EPA) cho kỹ thuật MMR-P Ban đầu 1: S ← {1,2,3,⋯K} // Sub-carriers set Phân bổ công suất // After sub-carrier assignment is determined by Algorithm B.5, equal power allocation is performed over all sub-carriers 2: for all k ∈ S 3: pk = Ptotal/K 4: end for [...]... các công nghệ và sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến hữu hạn một cách hiệu quả nhất, các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến thích ứng và thông minh (RRM) là rất quan trọng Có rất nhiều vấn đề RRM mở trong mạng không dây nói chung và OFDMA trên các hệ thống di động nói riêng Một trong những vấn đề đó là sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất sử dụng tài nguyên và công bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên giữa... Quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống OFDMA 2.1 Giới thiệu Các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) chịu trách nhiệm cho việc sử dụng nguồn tài nguyên của giao diện mạng di động tế bào Các chức năng RRM là quyết định sự bảo đảm các yêu cầu chất lƣợng dịch vụ (QoS) của các lớp dịch vụ khác nhau, tối ƣu vùng phủ sóng, tối đa hiệu suất phổ (công suất hệ thống) và cung cấp tính công bằng hợp lý. .. tài nguyên vô tuyến cho các hệ thống OFDMA Có rất nhiều lý do nghiên cứu mức linh hoạt cao của RRM trong các mạng OFDMA Việc phân bổ nguồn tài nguyên trong OFDMA trên các hệ thống tế bào tƣơng ứng với một vấn đề đa chiều vì miền thời gian, tần số, không gian nên đƣợc sử dụng hiệu quả Một chiến lƣợc phân bổ nguồn tài nguyên hiệu quả là rất quan trọng để cải thiện hiệu suất OFDMA trên các hệ thống Để tận... riêng Do nguồn tài nguyên OFDMA đƣợc phân chia trong miền thời gian, ngƣời dùng có thể truy cập hệ thống trong các khe thời gian khác nhau Cuối cùng, tính chất song song của ghép kênh OFDM là rất thích hợp với mô hình nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) Để nghiên cứu đầy đủ tính linh hoạt đƣợc cung cấp bởi OFDMA và đạt đƣợc các yêu cầu của hệ thống 4G, các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) hiệu... bằng hợp lý giữ sự phân bổ tài nguyên và QoS giữa những ngƣời sử dụng khác nhau Công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là giao diện vô tuyến đƣợc chọn cho các mạng 4G, ví dụ nhƣ hệ thống LTE- Advance đƣợc tiêu chuẩn hoá bởi Tổ chức đối tác phát triển(3GPP) thế hệ 3 và hệ thống WiMAX đƣợc tiêu chuẩn hoá bởi IEEE OFDMA mang lại sự linh hoạt trong phân bổ tài nguyên và khả năng nghiên... nhất Hệ thống WCDMA phát triển từ hệ thống toàn cầu cho thông tin di động (GSM) .Hệ thống cdma2000 phát triển từ các chuẩn IS-95 dựa trên công nghệ FDD với công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Hệ thống di động WiMAX (802.16e-2005) tiến hóa từ chuẩn 802.16-2001 cho hệ thống truy cập không dây băng rộng cố định dựa trên công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) Hệ thống. .. đối với hệ thống OFDMA Cấu trúc hệ thống đƣợc đƣa ra trong phần 2.5 Phần 2.6 đƣa ra tổng quan các vấn đề RRM và các giải pháp đối với các mạng OFDMA Cuối cùng, phần 2.7 mô tả chi tiết vấn đề RRM (vấn đề đƣợc xử lý trong suốt luận văn này): sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất sử dụng tài nguyên và sự công bằng trong phân bổ tài nguyên 2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) ... Trong một hệ thống OFDMA tồn tại những nguồn tài nguyên khác nhau cần đƣợc phân bổ hợp lý giữa những ngƣời sử dụng Những nguồn tài nguyên này có thể tóm tắt nhƣ sau: - Tần số sóng mang con: Thích ứng miền tần số (kích thƣớc sóng mang con) đạt độ lợi hiệu suất lớn trong trƣờng hợp kênh thay đổi vƣợt quá băng thông của hệ thống Do đó, thích ứng miền tần số ngày càng quan trọng với một băng thông hệ thống. .. điều kiện kênh tốt nhất đối với nguồn tài nguyên đó Điều đó dẫn đến công suất hệ thống tối đa do nguồn tài nguyên tập trung vào tay của những ngƣời sử dụng tốt nhất, trong khi những ngƣời sử dụng trong điều kiện xấu sẽ thiếu tài nguyên Trạng thái này đƣợc đặc trƣng bởi tính công bằng thấp Mặt khác, nếu sự công bằng cao đƣợc yêu cầu, hệ thống buộc phải bảo vệ nguồn tài nguyên của những ngƣời sử dụng với... sự phân bổ nguồn tài nguyên với hiệu suất và sự công bằng tối đa Tuy nhiên, vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) này khó khăn để đƣợc giải quyết vì sự hạn chế số lƣợng nguồn tài nguyên vô tuyến khả dụng và sự biến động của kênh không dây trong miền tần số và thời gian Bây giờ, giả sử rằng tồn tại một chính sách RRA có thể cung cấp một số điểm cân nhắc lựa chọn (giống nhƣ mô tả trong hình 3.1):