Phương pháp cấp phát kênh động phân tán cho mạng đa truy nhập băng rộng sử dụng công nghệ OFDMA/TDD

Lý thuyết về phương pháp cấp phát kênh động phân tán cho mạng đa truy nhập băng rộng sử dụng công nghệ OFDMA/TDD đã được trình bày ở phần I của bài báo này. Phần tiếp theo, trình bày các kết quả nghiên cứu dựa trên mô hình phỏng tạo để phân tích hiệu năng của thuật toán đề xuất. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm bắt các nội dung chi tiết.

TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG PHÂN TÁN CHO MẠNG ĐA TRUY NHẬP BĂNG RỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDMA/TDD PHẦN II: MƠ HÌNH ỨNG DỤNG VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG A DECENTRALISED DYNAMIC SUB-CHANNEL ALLOCATION METHOD FOR MULTIUSER BROADBAND NETWORKS USED OFDMA/TDD TECHNOLOGY PART II: APPLICATION MODEL AND SIMULATION RESULTS Nguyễn Văn Đức, Nguyễn Hữu Thanh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Lý thuyết phương pháp cấp phát kênh động phân tán cho mạng đa truy nhập băng rộng sử dụng cơng nghệ OFDMA/TDD trình bày phần I báo Phần tiếp theo, trình bày kết nghiên cứu dựa mơ hình tạo để phân tích hiệu thuật tốn đề xuất Tham số hệ thống, mơ hình mạng, mơ hình kênh truyền, mơ hình lưu lượng mạng xây dựng chuẩn WiMax di động, IEEE802.16e Kết mô số cho thấy nhiễu đồng kênh mạng giảm đáng kể thơng qua thuật tốn đề xuất Bên cạnh đó, thơng lượng mạng với thuật toán đề xuất lớn phương pháp OFDM-FDMA thông thường, đặc biệt tải mạng mức cao Khi tham số tối ưu, thông lượng mạng với thuật tốn đề xuất đạt mức 45 Mbits/s/cell cho trường hợp băng thông mạng 20MHz, đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ sóng mang với tỷ số tín hiệu tạp âm lớn 16 dB ABSTRACT In the part I of this paper, a decentralised algorithm for dynamic channel assignment used for a broadband multiuser OFDMA/TDD network has been presented The proposed method is designed to reduce the co-channel interference (CCI), and thus increase the overall throughput of the network In this part, we present the numerical analytical results to evaluate the performance of the proposed algorithm The system parameters, the scenario for simulations, the wireless channel, and the network traffic are modeled according to the IEEE802.16e standard The simulation results show that the CCI is significantly reduced by applying the proposed method The overall throughput of the network obtained by the proposed mechanism outperforms that obtained by a conventional OFDM-FDMA method, especially when the offered load of the network is high If the parameters are optimized, the throughput of the networks can be achieved up to 45 Mbits/s/cell in case of the system having a bandwidth of 20 MHz It can also ensure the signal to interference ratio on each sub-carrier higher than 16dB nguyên lý mà vấn đề ‘hidden node’ ‘exposed node’ giải I GIỚI THIỆU CHUNG Ở phần I báo trình bày vấn đề nhiễu đồng kênh mạng đa truy nhập băng rộng, sau đề xuất phương pháp cấp phát kênh động với mục đích tăng thơng lượng giảm nhiễu toàn mạng Cơ chế giảm nhiễu đồng kênh cho mạng thể tóm tắt hình Ở hình 1, máy thu B phát tín hiệu báo bận sóng mang sử dụng cho việc truyền dẫn từ máy phát A đến máy thu B Dựa vào tín hiệu báo bận mức ngưỡng nhiễu tối đa cho phép mà máy phát C lựa chọn sóng mang tương ứng cho việc thiết lập đường nối đến máy thu Dựa vào Để kiểm nghiệm khả ứng dụng thuật toán cho mạng WiMax, phần báo trình bày mơ hình tạo mạng WiMax, mơ hình lưu lượng mạng, mơ hình kênh truyền, sau thảo luận kết mô phỏng, đồng thời đánh giá chất lượng mạng ứng dụng thuật toán đề xuất so sánh với thuật toán khác Các mơ hình xây dựng cho việc tạo số dựa sở mạng WiMax Kết phân tích mạng dựa thơng lượng tồn mạng đạt chất lượng tín hiệu sóng mang lớn ngưỡng tương ứng với loại dịch vụ cho 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 trước Kết mô số cho thấy với thuật đốn đề xuất, mạng có chất lượng cải thiện đáng kể so với thuật toán thông thường Tuy nhiên để đạt chất lượng này, tham số mức ngưỡng sử dụng cho thuật toán đề xuất phải tối ưu Hình thể phương pháp cấp phát kênh OFDM-FDMA thơng thường, người sử dụng khác chiếm sóng mang khác Tuy nhiên cấp phát sóng mang vào bận rỗi tập sóng mang con, mà khơng quan tâm đến mức độ can nhiễu đến mạng Giả thiết trình truyền dẫn vài sóng mang khơng đáp chất lượng dịch vụ sóng mang giải tỏa cấp cho thuê bao Đặc điểm phương pháp đơn giản, nhiên khơng có chế chống nhiễu đặc biệt nhiễu đồng kênh cho mạng Hình Cơ chế cấp phát kênh dựa vào tín hiệu báo bận phát từ máy thu III MÔ HÌNH HÊ THỐNG PHỎNG TẠO Hình Mặt cắt mức ngưỡng nhiễu cho phép với mức cơng suất tín hiệu báo bận nhận máy phát cho biết sóng mang phụ thích hợp phục vụ cho việc truyền liệu Bài báo tổ chức sau: Mục II trình bày vắn tắt phương pháp cấp phát kênh OFDM-FDMA thơng thường Mục III trình bày mơ hình sử dụng để mơ mạng Các kết phân tích trình bày mục IV Mục V kết luận báo Hình Mơ hình mạng Mạng mơ mơ tả hình 4, gồm cell, bán kính cell 500m Các đơn vị thuê bao MS phân bố đặt không gian (phân bố chuẩn) Các thông số hệ thống sử dụng cho mô lấy từ chuẩn WiMAX [2,3] sau: II PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH OFDM-FDMA THƠNG THƯỜNG  Băng thơng hệ thống: B=20MHz  Khoảng thời gian lấy mẫu: ta=1/B=50ns  Chiều dài FFT: NFFT = 256 Tần số sóng mang f c  1.9GHz Xét kênh đa đường có trễ truyền dẫn lớn 0.45µs Tần số Dopler tuyến 5Hz Do kênh xét kênh biến đổi chậm theo thời gian Các kênh đa đường liên kết khác độc lập xác suất Mơ hình kênh fading phân tập đa đường tạo Hình Phương pháp OFDM-FDMA thơng thường [1] 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 theo phương pháp Monte Carlo trình bày [4]  mật độ lưu lượng, M ary số bít Bài bào giả thiết hệ thống đồng tốt thời gian tần số Do xuất CCI tính theo s, N C số cell có mạng, ký hiệu, Ts khoảng chiều dài ký hiệu N max số sóng mang lớn cấp cho người d ng Rõ ràng N max  N FFT , Ta sử dụng mơ hình suy hao tín hiệu mơ tả [3] g  A  10 log10 d / d    A  20 log10 4d /   đó: N FFT tổng số sóng mang hệ (1) thống Gọi Aik số phần tử tập Aik Nếu Aik  N max N max kênh lựa với d =100m,  bước sóng  hệ số suy hao,   ( a  bhb  c / hb ) , hb chọn ngẫu nhiên từ Aik kênh lựa chọn trước Điều kiện cần thiết để đảm bảo cơng bằng, tránh tình liên kết sử dụng tỷ lệ lớn băng thông khiến cho mạng từ chối dịch vụ người d ng khác chiều cao BS chọn 80m Các số a, b, c chọn từ mơ hình dành cho địa hình loại A [5] Biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn loga  mơ hình cho hiệu ứng che khuất, giả thiết có phương sai 10dB Mơ hình điều chế sử dụng tất kênh 16-QAM M ary  Thêm Giả thiết lưu lượng đến theo phân bố Poisson với khoảng thời gian đến trung bình 0.1ms thời gian giữ trung bình 0.15s Cơng suất phát tất MS BS 30dBm SINR tối thiểu  req sử dụng để lựa chọn nữa, ta giả thiết MS k nhận liệu thành công từ Bik kênh Bik  N max ,  Bik số phần tử tập Bik Thông kênh máy thu 16dB LDL lượng biến ngẫu nhiên, thu sau: Chiều dài khung hướng xuống thiết lập với chiều dài Ti  M ary p khung hướng lên LUL 20 ký hiệu OFDM Bởi khung MAC bao gồm ( LDL  LUL ) ký hiệu OFDM có hai ký hiệu OFDM dành cho việc báo hiệu âm bận cho hướng lên hướng xuống Hiệu sử dụng phổ hệ thống giảm xuống còn:  p  1 LDL  LUL M Ts N C M ary N max [bit / s / cell] Ts N C M B k 1 k i bit / s / cell  (4) Các bít liệu gửi nhận kênh có SINR thấp  req bị máy thu loại bỏ xem bị Dựa tập Aik Bik , tỷ lệ từ chối khung MAC máy thu tính sau: (2) Ti  M ary p Tải yêu cầu mạng định nghĩa số bít trung bình giây cell yêu cầu gửi Giả thiết có M trạm thuê bao hoạt động khoảng ký hiệu OFDM Tải yêu cầu mạng định nghĩa sau: Ao   Ts N C M ( A k 1 k i  Bik ) bit / s / cell  (5) IV CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hiệu việc cấp phát kênh phân tán sử dụng tín hiệu bận đề cập thể Hình Ở tạp âm nhiễu trắng chưa (3) Một gói liệu xem nhận thành công kênh SINR tương ứng với kênh lớn SINR yêu cầu 25  req TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 tính đến Giả thiết chúng xuất mức nhỏ bỏ qua Hình So sánh thơng lượng hệ thống sử dụng cấp phát kênh ngẫu nhiên sử dụng DCA có quan tâm đến nhiễu Hình Ảnh hưởng mức ngưỡng I thr đến việc sử dụng kênh Trong Hình so sánh giải thuật phương pháp đề xuất với OFDMA truyền thống, tức hệ thống OFDMA người d ng ấn định ngẫu nhiên số lượng cố định kênh Ta thấy hệ thống sử dụng giải thuật cấp phát kênh xét có thơng lượng cao hệ thống OFDMA truyền thống Nếu mức ngưỡng tín hiệu bận thấp kênh tạo công suất nhiễu không đáng kể lựa chọn Điều có nghĩa khơng có truyền dẫn kênh có máy thu bị nhiễu khoảng cách xa so với máy phát quét kênh bận Hệ khả SINR kênh máy thu chủ định lớn mức yêu cầu cao Tuy nhiên số kênh đáp ứng điều kiện này, nghĩa hệ thống thận trọng việc loại nhiễu CCI Khi mức ngưỡng tín hiệu bận tăng số kênh tập Ak tăng lên tới tổng số k i V KẾT LUẬN Các kết phân tích mơ cho thấy chất lượng thuật toán đề xuất phụ thuộc nhiều vào lựa chọn mức ngưỡng nhiễu cho phép tối đa Nếu mức ngưỡng chọn nhỏ, mạng có mức CCI tương ứng thấp, nhiên thông lượng mạng nhỏ Điều thuật toán lựa chọn kênh ‘quá nhạy cảm’ có lượng nhiễu nhỏ tồn mạng Trong trường hợp mức ngưỡng chọn q lớn thuật tốn đề xuất khơng tác dụng giảm nhiễu cho mạng Do để mạng hoạt động tốt với thuật toán đề xuất mức nhiễu cần lựa chọn ph hợp Với mức ngưỡng ph hợp cho thuật toán đề xuất mạng đạt thơng lượng tồn mạng cao so với phương pháp OFDMA thông thường, đặc biệt tải mạng tăng cao Thuật toán đề xuất ứng dụng cho mạng WiMax Mặt khác tính chất xử lý phân bố thuật tốn nên ứng dụng cho mạng Adhoc Đây vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu dự án nghiên cứu  kênh con, c ng lúc số kênh bị loại tăng lên mức nhiễu CCI mạng tăng Nếu ngưỡng nhiễu tín hiệu bận cao, điều có nghĩa khơng có phát quan tâm đến nhiễu Hệ thống hoạt động thể có giải thuật lựa chọn kênh ngẫu nhiên thực Từ kết Hình xét cho trường hợp  req = 16 dB, ta thấy có giá trị tối ưu cho mức ngưỡng cơng suất tín hiệu bận xung quanh giá trị -90dBm, giá trị làm tăng sử dụng kênh lên 30% so với trường hợp I thr = - 70dBm Giá trị mức ngưỡng tối ưu phụ thuộc o giá trị yêu cầu chất lượng dịch vụ  req Chúng ta nhận thấy yêu cầu chất lượng dịch vụ thấp giá trị mức ngưỡng tối ưu cao 26 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 TÀI LIỆU THAM KHẢO H Rohling, R Grunheid; Performance comparison of different multiple access schemes for the downlink of an OFDM communication system; IEEE 47th Vehicular Technology Conference 1997, vol 3, pp 1365 – 1369, May 1997 H Yaghoobi; Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 WirelessMAN; Intel Technology Journal, vol 8, no 3, pp 201-212, 2004 IEEE802.16; Channel Models for Fixed Wireless Applications; IEEE 802.16.3c-01/29r4 Van Duc Nguyen, Matthias Paetzold; Least Square Channel Estimation Using Special Training Sequences for MIMO-OFDM Systems in the Presence of Intersymbol Interference; Proc Nordic Radio Symposium (NRS) 2004, including the Finnish Wireless Communications Workshop (FWCW) 2004, Oulu, Finland, 16 – 18 August 2004 V Erceg; An Empirically Based Path Loss Model for Wireless Channels in Suburban Environments; IEEE Journal on Selected Areas in Comm.} vol 17, no 7, pp 1205-1211, July 1999 Địa liên hệ: Nguyễn Văn Đức – Tel: 0982.244.811, Email: ducnv-fet@mail.hut.edu.vn Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 27 ... thống sử dụng cấp phát kênh ngẫu nhiên sử dụng DCA có quan tâm đến nhiễu Hình Ảnh hưởng mức ngưỡng I thr đến việc sử dụng kênh Trong Hình so sánh giải thuật phương pháp đề xuất với OFDMA truy n... tham số mức ngưỡng sử dụng cho thuật toán đề xuất phải tối ưu Hình thể phương pháp cấp phát kênh OFDM-FDMA thơng thường, người sử dụng khác chiếm sóng mang khác Tuy nhiên cấp phát sóng mang vào... máy phát cho biết sóng mang phụ thích hợp phục vụ cho việc truy n liệu Bài báo tổ chức sau: Mục II trình bày vắn tắt phương pháp cấp phát kênh OFDM-FDMA thông thường Mục III trình bày mơ hình sử