Đánh giá hiệu năng của một số thuật toán lập lịch trên đường downlink trong mạng LTE luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 02 03

ĐAỊ HOCC̣ QUỐC GIA HÀNÔỊ TRƢỜNG ĐAỊ HOCC̣ CÔNG NGHÊ =============== CAO THIÊṆ THẮNG ĐÁNH GIÁHIÊỤ NĂNG CỦA MÔṬ SÔ THUÂṬ TOÁN LÂPC̣ LICḤ TRÊN ĐƢỜNG DOWNLINK TRONG MANGC̣ LTE LUÂṆ VĂN THACC̣ SĨ CÔNG NGHÊĐIÊṆ TƢƢ̉- VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2013 ĐAỊ HOCC̣ QUỐC GIA HÀNÔỊ TRƢỜNG ĐAỊ HOCC̣ CÔNG NGHÊ =============== CAO THIÊṆ THẮNG ĐÁNH GIÁHIÊỤ NĂNG CỦA MÔṬ SÔ THUÂṬ TOÁN LÂPC̣ LICḤ TRÊN ĐƢỜNG DOWNLINK TRONG MANGC̣ LTE Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUÂṆ VĂN THACC̣ SĨ CÔNG NGHÊĐIÊṆ TƢƢ̉- VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN NAM HOÀNG HÀ NỢI - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tơi viết là hoàn toàn thống khơng chép, kết đo đạc mô phỏng có luận văn chưa từng đươcC̣ công bốtừ tài liệu nào hình thức Các thơng tin sử dụng luận văn có ng̀n gốc và được trích dẫn rõ ràng Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm có dấu hiệu chép kết từ các tài liệu khác Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm 2013 TÁC GIẢ CAO THIÊN THẮNG LỜI CẢM ƠN Trong thơi gian hocC̣ tâpC̣, nghiên cưu va hoan thiêṇ luâṇ văn, em đa nhâṇ đươcC̣ ̀̀ sự giúp đỡ tâṇ tinh va chu đao cua cac thầy cô giao khoa Điêṇ tư ̀̀ thông Trương ĐaịhocC̣ Công nghê,C̣ĐaịhocC̣ quốc gia Ha Nôị ̀̀ Đầu tiên em xin gửi l ời cảm ơn sâu sắc tới đa t ̃ âṇ tinh̀ hướng dâñ vàgiúp đỡem hoàn thành luâṇ văn tốt nghiêpC̣ thacC̣ sỹtrong suốt thời gian vừa qua Em cũng xin cảm ơn các quýthầy cô , các anh chị và các bạn khoa Điện tử - Viêñ thông, ĐaịhocC̣ Công nghê đC̣ a c ̃ ónhững góp ý kịp thời và bở ích , giúp đỡ em suốt quátrinh̀ nghiên cứu luâṇ văn này Ngoài , đa ung hô eC̣ m suốt qua trinh hocC̣ tâpC̣ va hoan tha ̀ ̃ ̀̀ trình đào tạo Thạc sỹ khoa Điện tử – Viêñ thông, ĐaịhocC̣ Công nghê.C̣ MăcC̣ du em đa nỗlưcC̣ va cốgắng hoan thiêṇ luâṇ văn b lưcC̣ của minh̀ , nhiên không thểtránh khỏi thiế u sót, mong nhâṇ đươcC̣ đóng góp quýbáu của quýthầy cô vàcác baṇ Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm 2013 HỌC VIÊN CAO THIÊN THẮNG ́ ́ DANH MUCC̣ KÝHIÊỤ VÀTƢƢ̀VIÊT TĂT 3GPP Third Generation Partnership Project ACK Acknowledge AMC Adaptive modulation and coding BLER Block Error Ratio BS Base Station eNodeB Base Station (LTE) CLSM Closed Loop Spatial Multiplexing CP Cyclic Prefix CQI Channel Quality Indicator CRC Cyclic Redundancy Check DwPTS Downlink Pilot Time Slot EDCF Empirical Cumulative Distribution Function EUL Enhanced Uplink FDD Frequency Division Duplex GP Guard Period H-ARQ Hybrid Automatic Retransmission Request HSDPA High Speed Downlink Packet Access LA Link Adaptive LTE Long Term Evolution MIMO Multiple Input Multiple Output MME Mobile Management Entity MS Mobile Station NACK Not Acknowledge OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplex Access OLSM Open Loop Spatial Multiplexing OPP Object Oriented Programming PBCH Physical Broadcast Channel PCFICH Physical Control Format Indicator Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel PDSCH Physical Downlink Shared Channel PHICH Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel PMCH Physical Multicast Channel QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase-Shift Keying RB Resource Block RE Resource Element RR Round Robin SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access SISO Single Input Single Output TB Transport Block TDD Time Division Duplex TTI Transmission Time Interval UE User Equipment UMTS Universal Mobile Telecommunications System UpPTS Uplink Pilot Time Slot WCDMA Wideband Code Division Multiple Access MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MUCC̣ KÝHIÊỤ VÀTƢƢ̀VIẾT TẮT MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH ẢNH .8 Ƣ̀ LỜI MỞĐÂU .10 Chương TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE 12 1.1 Một số đặc trưng của mạng LTE 12 1.1.1 Tốc độ liệu đỉnh 12 1.1.2 Độ trễ 13 1.1.3 Thông lượng người dùng 13 1.1.4 Khả di động 13 1.1.5 Sự linh hoạt băng thông phổ tần số .13 1.1.6 Vùng bao phủ 14 1.2 Tổng quan đường downlink LTE 14 1.2.1 Phương thức đa truy nhập OFDMA 14 1.2.2 Kiến trúc khung gói tin 15 1.2.3 Kênh vật lý downlink LTE .17 1.3 Mơ hình kênh truyền đa anten MIMO 21 Chương 2: THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG MẠNG LTE .23 2.1.Thuật toán xoay vòng 27 2.2 Thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt 28 2.3 Thuật toán cân bằng .30 ́ Chương 3: KÊT QUẢMÔ PHỎNG 32 3.1 Chương trình mơ phỏng LTE System Level Simulator 32 3.2 Các kịch và kết mô phỏng 35 3.2.1 So sánh hiệu thuật tốn lập lịch sử dụng chung cấu hình 36 3.2.2.Thay đổi vâṇ tốc người dùng .44 3.2.3.Thay đổi mô hiǹ h truyền MIMO .45 3.2.4.Thay đổi sốlươngg̣ người dùng UEs/cell 47 3.2.5.Thay đổi băng thông hệ thống 50 ́ KÊT LUÂṆ 52 TÀI LIÊU THAM KHẢO 53 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tỷ lệ băng thông và RBs Bảng 2.1.Chỉ số CQI Bảng 3.1 Cấu hình mô phỏng để so sánh hiệu các thuật toán Bảng 3.2 So sánh hiệu của các thuật toán lập lịch Bảng 3.3 So sánh hiệu thay đổi vận tốc người dùng với PF scheduler Bảng 3.4 Các mơ hình kênh truyền MIMO Bảng 3.5 So sánh hiệu thay đổi số UEs/cell với PF scheduler Bảng 3.6 So sánh hiệu thay đổi băng thông với PF scheduler DANH MUCC̣ HÌNH ẢNH Hình 1.1 OFDM và OFDMA Hình 1.2 Cấu trúc frame LTE [6] Hình 1.3 Frame loại Hình 1.4 Kênh đường xuống LTE Hình 1.5 Ký hiệu tham chiếu downlink LTE sử dụng tiền tố lặp normal Hình 1.6 Qúa trình truyền đường downlink LTE Hình 1.7 Tở chức tài ngun vơ tuyến đường downlink Hình 1.8 Mơ hình truyền đa anten MIMO Hình 1.9 Các mơ hình MIMO đường downlink LTE Hình 2.1 Đáp ứng kênh truyền LA Hình 2.2 Ánh xạ giá trị SNR và CQI Hình 2.3 Những chức lớp cho việc lập lịch gói tin động, đáp ứng kênh truyền và quản lý HARQ Hình 2.4 Thuật toán Round Robin Hình 2.5 Sơ đờ thuật toán Round Robin Hình 2.6 Thuật toán Best CQI Hình 2.7 Sơ đờ thuật toán Best CQI Hình 2.8 Sơ đờ thuật toán Proportional Fair Hình 3.1 Ánh xạ CQI – BLER taịđiểm BLER = 10% Hình 3.2 Ánh xạ CQI – SNR taịđiểm BLER = 10% Hình 3.3 Phân bố UEs vàeNodeBs lập lịch bằng thuật toán RR Hình 3.4 Thơng lượng người dùng lập lịch bằng thuật toán RR Hình 3.5 Thông lượng người dùng lập lịch bằng thuật toán Best CQI 40 Hình 3.6 Thơng lượng người dùng lập lịch bằng thuật toán PF Hình 3.7 Hàm phân Hình 3.8 Tốc C̣dư ̀ 43 So sánh dưạ vào bảng vàkết quảmô phỏng ta cóthểthấy :  Khi sử dungC̣ thuâṭtoán Best CQI , thông lươngC̣ trung binh̀ của UE vàcủ a cell cung hiêụ suất sư dungC̣ băng tần la tốt nhấ t Tuy nhiên Best CQI không ̀ ̃ đảm bảo đươcC̣ sư cC̣ ân bằng của toàn C̣thống Điều này giải thich ́ cho lýthuyết rằng Best CQI đảm bảo UEs có số chất lượng kênh truyền CQI cao , tức làđiều kiêṇ kênh truyền tốt đươcC̣ ưu tiên lâpC̣ licḥ cấp phát tài n guyên vi v̀ âỵ tốc đô C̣ dữliêụ là tốt Những cũng chinh ́ viv̀ âỵ, UEs ởbiên xa traṃ sởhoăcC̣ cóđiều kiêṇ kênh truyền không tốt se ̃ không cócơ hôịđươcC̣ c ấp phát tài nguyên vô tuyến dâñ tới C̣thống cân bằng  Khi sử dungC̣ thuâṭtoán Round Robin lâpC̣ licḥ cho eNodeBs , tC̣ hống luô n đam bao sư cC̣ ông bằng ̀h̉ ̀h̉ chênh lêcḥ giưa tốc đô đC̣ inh va tốc đô cC̣ ua cac UEs biên la suy hao ̀ ̃ cũng fading đa đường kênh truyền cu tC̣ hểcua tưng UE ̀h̉ suất sư dungC̣ phổtần cua toan bô m C̣ angC̣ ̀h̉  Thuâṭtoan Proportional ̀́ thống Thông lươngC̣ trung binh cua C̣thống vâñ đam bao thoa lươngC̣ dịch vụ.Tuy vâñ ưu tiên UEs cóchất lươngC̣ kênh truyền tốt ng vâñ dành tài nguyên vô tuyến cho UEs biên hoăcC̣ chất lươngC̣ kênh xấu đảm bảo sư C̣công bằng cho tất cảngười dùng 44 3.2.2.Thay đổi vâṇ tốc người dùng Hình 3.9.Thơng lượng người dùng với UE_speed = 0.1km/h, PF scheduler Hình 3.10 Thông lượng người dùng với UE_speed = 100km/h, PF scheduler 45 So sánh kết q uả ta có thể thấy lập lịch PF mạng LTE đảm bảo chất lươngC̣ dicḥ vu C̣ổn định người dùng di chuyển tốc đô C̣châṃ khoảng – 5km/h và giảm đáng kể UEs tăng tốc Selected eNodeB Number of UEs/cell Simulation length Transmit mode Average UE throughput Average UE spectral eff Peak UE throughput (95%) Edge UE throughput (5%) Average cell throughput Fairness index Average RBs/TTI/UE Bảng 3.3 So sánh hiệu thay đổi vận tốc người dùng với PF scheduler 3.2.3.Thay đổi mô hinh truyền MIMO Đểso sanh hiêụ suất cua tC̣ hống thay đổi cac mô hinh truyền MIMO và ̀́ sử dungC̣ bô lC̣ âpC̣ licḥ Round Robin LTE_sim_main_launcher_CLSM_comparison reproducibility/CLSM_throughput_comparison Khi chaỵ M -file này, nó load liêụ từ các file khác (CLSM_2x2_RR.mat, CLSM_4x2_RR.mat và CLSM_4x4_RR.mat) Kết qua thểhiêṇ đồthi sC̣ o sanh đươcC̣ hiêụ suất tC̣ hống sư dung cac mô hinh truyền CLSM _2x2, CLSM_4x2, CLSM_4x4 ̀h̉ ̀́ Dữliêụ đươcC̣ sử dung:C̣ Sốantenna phat Sốantenna thu Mode truyền ̀́ Bảng 3.4 Các mơ hình kênh trùn MIMO 46 Kết mơ phỏng sau: Hình 3.11.Hàm phân phối tích lũy thông lượng người dùng Hình 3.12.Phụ thuộc SINR UE throughput 47 Dưạ vào kết quảta cóthểthấy sử dungC̣ nhiều anten thu phát hơn, bằng kỹ thuâṭghép kênh không gian và phân tập không gian làm tốc độ download liệu của UEs tăng và gây lỡi cho C̣thống 3.2.4.Thay đổi sốlươngg̣ người dùng UEs/cell Thay đổi sốlươngC̣ người dùng đươcC̣ eNodeB phucC̣ vu C̣trong cell ta thu đươcC̣ mơṭsốkết quảmơ phỏng sau: Hình 3.13.Phân bố UEs cells có5 UEs/cells, PF Scheduler 48 Hình 3.14.Phân bố UEs cells có50UEs/cell, PF Scheduler Hình 3.15.Thơng lượng trung bình với UEs/cel, PF Scheduler 49 Hình 3.16.Thơng lượng trung bình với 50UEs/cell, PF Scheduler Bảng so sánh kết quả: Selected eNodeB Number of UEs/cell Simulation length Transmit mode Average UE throughput Average UE spectral eff Peak UE throughput (95%) Edge UE throughput (5%) Average cell throughput Fairness index Average RBs/TTI/UE UE_speed Bảng 3.5 So sánh hiệu thay đổi số UEs/cell với PF scheduler Tư ta co thểthấy mô phong chi thư C̣ c hiêṇ trương hơpC̣ các ̀̀ chuyển cell cốđinḥ Khi sốUEs đươcC̣ phucC̣ vu tC̣ rong lươngC̣ cũng hiêụ suất phổtần của cell vâñ không thay đổi thay đổi nhiên tốc 50 đô C̣ download dữliêụ của người dùng bắt đầu giảm và sốlươngC̣ tài nguyên vô tuyến RBs/TTI/UE cũng giảm phải chia sẻvới nhiều UEs Khi sử dungC̣ thuâṭtoán Proportional Fair, C̣thống đảm bảo đươcC̣ chỉsốcân bằng của toàn mangC̣ 3.2.5.Thay đổi băng thông g̣thống Hình 3.17.Thơng lượng người dùng với bandwidth = 1.4Mhz, PF scheduler Hình 3.18 Thơng lượng người dùng với bandwidth = 10Mhz, PF scheduler 51 Bảng so sánh kết quả: Selected eNodeB Number of Ues/cell Simulation length Transmit mode Average UE throughput Average UE spectral eff Peak UE throughput (95%) Edge UE throughput (5%) Average cell throughput Fairness index Average RBs/TTI/UE UE_speed Bảng 3.6 So sánh hiệu thay đổi băng thông với PF scheduler Từ kết qua mô phong ta co thểthấy ty lê C̣thuâṇ giưa đô rC̣ ôngC̣ băng thông đối ̀h̉ vơi thông lươngC̣ va lươngC̣ tai nguyên vô tuyến ma tC̣ hống cu ̀́ dùng Chất lươngC̣ dicḥ vu cC̣ hi đươcC̣ cung cấp tốt nhấ băng thông rôngC̣ 52 KẾT LUẬN Luâṇ văn đa ̃trinh̀ bày toàn bô C̣những kiến thức của em vềtổng quan thếhê C̣ mạng di động thứ Long Term Evolution LTE cũng cách làm viêcC̣ của các bô C̣lâpC̣ lịch sử dụng đường downlink LTE Qua luâṇ văn, e trình bày số kiến thức vềđăcC̣ trưng của mangC̣ LTE , giao thức đa truy nhâpC̣ OFDMA sử dungC̣ đường downlink LTE, kiến trúc tài nguyên vô tuyến cũng các mô hinh ̀ truyền đa antenna MIMO mangC̣ LTE Nhưng kiến thưc ban cần thiết đươcC̣ để ̀ ̃ có thể hiểu được chương trình mơ phỏng phần Nôịdung chu yếu tr ong luâṇ văn cua em đo la trinh bay đinḥ nghia ̀h̉ làm việc của bô lC̣ âpC̣ licḥ mangC̣ LTE eNodeB vàlà quá trình đưa định liên quan đến việc phân bố nguồn tài nguyên (thời gian, tần số) các người dùng vùng phủ của eNodeB từng khoảng thời gian xác định Có nhiều thuật toán được sử dụng bô lC̣ âpC̣ licḥ, nhiên phaṃ vi luâṇ văn cua minh , em đa đưa cách lập lịch ban gồm cac thuâṭtoan Round Robin, Best CQI va Proportional Fair ̀h̉ Ngoài , chương trinh mô phong LTE System Level Simulator Theo em chương trinh hỗ ̀̀ trơ rC̣ ất tốt viêcC̣ các mơ hình đa anten MIMO , băng thơng tC̣ hống , tính toán đến tốc C̣ di chuyển của người dùng, môi trường truyền sóng cũng sốlươngC̣ UEs màhê C̣ thống muốn phucC̣ vụ Bằng kết quảmô phỏng , luâṇ văn đa l ̃ àm rõđươcC̣ lýthuyết các thuật toán lập lịch Round Robin , Best CQI, Proportional Fair, so sánh vàđánh giá ảnh hưởng hiệu đường downlink hệ thống mạng LTE kh i sử dungC̣ các thuâṭtoán này Tài ngun vơ tuyến có hạn và ngày càng khan vai trị của lâpC̣ licḥ tC̣ hống mangC̣ di đôngC̣ làrất quan trongC̣ Qua luâṇ văn này, em mong muốn đóng góp hiểu biết c ủa để có thể ngày càng tối ưu hệ thống mạng di động hệ LTE tương lai 53 TÀI LIÊU THAM KHẢO [1] Nguyêñ Quốc Khánh , “Nghiên cứu kỹ thuật lập lịch nâng cao chất lượng dịch vụ hệ thống thông tin di động LTE”, Luâṇ văn thacC̣ sỹ, ĐaịhocC̣ Đà Nẵng, 2011 [2] Phan Thanh Tùng, “LâpC̣ licḥ băng thông dưạ kỹthuâṭphản hồi kép Wimax”, Khóa luận tốt nghiệp, ĐaịhocC̣ Công nghê,C̣2009 [3] J C Ikuno, M Wrulich, M Rupp, “System level simulation of LTE networks”, in Proc 2010 IEEE 71st Vehicular Technology Conference, Taipei, Taiwan, May 2010 Available at: http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_184908.pdf [4] H.A.M Ramli, K Sandrasegaran, R Basukala, W Leijia, “Modeling and simulation of packet scheduling in the downlink long term evolution system”, 15th Asia-Pacific Conference on Communications, APCC 2009, pp 68-71, 2009 [5] H.A.M Ramli, R Basukala, K Sandrasegaran, R Patachaianand, “Performance of well-known packet scheduling algorithms in the downlink GPP LTE systems”, IEEE Malaysia International Conference on Communications, MICC 2009, pp 815-820, 2009 [6] Sauter, Martin , “From GSM to LTE:an introduction to mobile networks and mobile broadband”, John Wiley & Sons, Ltd, 2011 [7] RAN, TS 36.213-820 Section 7.1, page 12, Technical Specification Group “E-UTRA; physical channels and modulation,” 3GPP, Tech Rep TS 36.211 Version 8.7.0, May 2009 [8] fair Z Sun, C Yin, and G Yue, “Reduced-complexity proportional scheduling for ofdma system,” in Proc 2006 International Conference on Communications, Circuits and Systems Proceedings, June 2006 [9] O Iosif, I Banica, “On the analysis of of packet scheduling in downlink 3GPP LTE system”, CTRQ 2011, The Fourth International Conference on Communication Theory, Reliability and Quality of Service, pp 99-102, 2011 54 [10] Giuseppe Piro, Luigi Alfredo Grieco, Gennaro Boggia, and Pietro Camarda, “A Two-level Scheduling Algorithm for QoS Support in the Downlink of LTE cellular networks”, Research paper, February 2010 [11] L Hentilă a, P Ky ă osti, M Kă aske, M Narandzic, and M Alatossava, MATLAB implementation of the WINNER Phase II Channel Model ver1.1”, December 2007 [Online] Available: https://www.istwinner.org/phase model.html [12] P.E F Capozzi, D Laselva, F Frederiksen, J Wigard, I.Z Kovacs, Mogensen, “UTRAN LTE Downlink System Performance under Realistic Control Channel Constraints”, IEEE 70 Vehicular Technology Conference Fall (VTC 2009-Fall), pp 1-5, 2009 [13] 3GPP TR 25.913v8.0.0 Release 8, “Requirements for evolved UTRA (E-UTRA) and evolved UTRAN (E-UTRAN)” [14] Motorola, Long Term Evolution (LTE): Overview of LTE Air- Interface, White Paper [15] Dr Jayesh Kotecha, Jason Wong, “LTE: MIMO Techniques in 3GPP-LTE, Freescale Semiconductors”, Presentation, Nov 5, 2008 [16] Jim Zyren, Dr Wes McCoy, Technical Editor, “Overview of the 3GPP Long Term Evolution Physical Layer”, Freescale Semiconductors, July 2007 [17] Elias Yaacoub, Hussein AI-Asadi, and Zaher Dawy, “Algorithms for the LTE Uplink”, Research paper, 2009 [18] Sajid Hussain, “Dynamic Radio Resource Management in 3GPP LTE”, MSc Thesis, Blekinge Institute of Technology, January 2009 [19] A Gyasi-Agyei and S.-L Kim, "Comparison of Opportunistic Scheduling Policies in Time-Slotted AMC Wireless Networks", 1st International Symposium on Wireless Pervasive Computing, 2006 [20] Technical Specification Group Radio Access Network, “Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); physical layer procedures,” 3rd Generation Partnership Project (3GPP), Tech Rep TS 36.213, Mar 2009 55 ... GIÁHIÊỤ NĂNG CỦA MÔṬ SÔ THUÂṬ TOÁN LÂPC̣ LICḤ TRÊN ĐƢỜNG DOWNLINK TRONG MANGC̣ LTE Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUÂṆ VĂN THACC̣... uan trongC̣ mangC̣ vô tuyến, đặc biệt là mạng di động hệ LTE Chính vậy, em lưạ choṇ luâṇ văn của trình bày vấn đề “ Đánh giá hiệu số thuật toán lập lịch đƣờng downlink mạng LTE? ?? Khảo sát số. .. MIMO đường downlink LTE 23 Chương THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG MẠNG LTE Chương này ngoài việc giải thích định nghĩa của lập lịch đưa chi tiết thuật toán lập lịch cho đường downlink sử dụng mạng