Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ HOÀI VIỆT LÊ HOÀI VIỆT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG MẠNG LTE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT 2011B Hà Nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ HOÀI VIỆT QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG MẠNG LTE Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN HỮU THANH Hà Nội – 2014 MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG BIỂU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 10 PHẦN MỞ ĐẦU 11 Lý chọn đề tài 11 Lịch sử nghiên cứu 12 Mục đích nghiên cứu luận văn 12 Tóm tắt luận điểm luận văn 12 Phương pháp nghiên cứu 13 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ VÀ MỤC TIÊU THIẾT KẾ LTE 14 1.1 Giới thiệu công nghệ LTE 14 1.2 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax triển vọng cho công nghệ LTE 15 1.2.1 So sánh công nghệ LTE với công nghệ Wimax 15 1.3 Mục tiêu thiết kế LTE 18 1.3.1 Tiềm công nghệ 18 1.3.2 Hiệu suất hệ thống 20 1.3.3 Các vấn đề liên quan đến việc triển khai 22 1.3.3.1 Độ linh hoạt phổ việc triển khai 22 1.3.4 Kiến trúc dịch chuyển (migration) 25 1.3.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến 25 1.3.6 Độ phức tạp 26 1.3.7 Những vấn đề chung 26 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TRONG LTE 27 2.1 Truy nhập đường xuống 27 2.1.1 Khái quát công nghệ OFDM 27 2.1.1.1 Khoảng cách sóng mang OFDM: 30 2.1.1.2 Số lượng sóng mang con: 31 2.1.1.3 Sử dụng OFDM cho ghép kênh đa truy nhập: 31 2.1.1.4 Thu phát tín hiệu OFDM 32 2.1.1.5 Chuyển đổi nối tiếp – song song: 34 2.1.1.6.Điều chếRF : 35 2.1.1.7.Khoảng bảo vệ (GUARD PERIOD) 35 2.1.2 Công nghệ OFDMA LTE 36 2.2 Truy nhập đường lên với SC-FDMA 37 2.3 Điều phối nhiễu liên tế bào LTE (Inter-cell interference coordination) 40 2.4 Các băng tần hỗ trợ 40 CHƯƠNG 3: QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE 42 3.1 Mục đích chung quản lý tài ngun vơ tuyến 42 3.2 Một số phương pháp quản lý tài nguyên vô tuyến mạng LTE 42 3.2.1 Điều khiển truy nhập 42 3.2.1.1 Thuật toán điều khiển truy nhập tự tối ưu cho LTE đường xuống (tác giả K.Spaey, B.Sas, C.Blondia, tài liệu tham khảo số [15]): 42 3.2.1.2 Thuật toán kết hợp điều khiển truy nhập lập lịch cho điều kiện QoS kênh truyền khác LTE đường lên (tác giả M Anas, C Rosa, F D Calabrese, K I Pedersen, and P E Mogensen, tài liệu tham khảo số [16]) 43 3.2.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến dựa thông tin trạng thái buffer (phương pháp sử dụng BSR – Buffer status report) 44 3.3 Tối ưu quản lý tài nguyên vô tuyến LTE phương pháp phân bổ tài nguyên thích ứng cho hệ thống MIMO-OFDMA đa người dùng 45 3.3.1 Phân bố công suất cấp phát kênh tối ưu 48 3.3.2.1 Cấp phát kênh cận tối ưu 50 3.3.2.2 Phân bố công suất tối ưu cho cấp phát kênh cố định 51 3.3.2.3 Sự hữu phương pháp phân bổ công suất 55 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN TẦN SỐ 57 4.1 Hệ thống hai người dùng mười kênh 57 4.1.1 So sánh theo công tối đa 58 4.1.2 So sánh theo dung lượng tổng tổng tối đa 59 4.2 Dung lượng tổng kênh quảng bá MIMO đa người dùng 65 4.2.1 Mơ hình hệ thống sở chéo hoá khối 65 4.3 Thuật toán lựa chọn người dùng cho hệ thống MIMO đa người dùng 69 4.3.1 Mơ hình hệ thống 70 4.3.2 Thuật tốn lựa chọn người dùng có độ phức tạp thấp 70 4.3.2.1 Thuật toán lựa chọn người dùng cận tối ưu dựa vào dung lượng 71 4.3.2.2 Thuật toán lựa chọn người dùng cận tối ưu dựa chuẩn Frobenius 72 4.3.4 Các kết mô 74 4.4 Giải thuật chương trình mơ phân bổ tài ngun thích ứng hệ thống MIMO-OFDMA đa người dùng 77 KẾT LUẬN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Kiến trúc mạng LTE 15 Hình 1.2 Lộ trình phát triển LTE công nghệ khác 16 Hình 1.3 Phân bố phổ băng tần lõi GHz nguyên IMT-2000 23 Hình 1.4 – Một ví dụ cách thức LTE thâm nhập bước vào phân bố phổ hệ thống GSM triển khai 24 Hình 2.1 Cơng nghệ OFDM SC-FDMA 27 Hình 2.2 Sơ đồ thời gian tần số tín hiệu OFDM 28 Hình 2.3 Đường downlink LTE 29 Hình 2.4 Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM 32 Hình 2.5: Sơ đồ biến đổi tín hiệu thu phát OFDM 34 Hình 2.6 Khoảng bảo vệ Guard Period 35 Hình 2.7 OFDM OFDMA 36 Hình 2.8 Sơ đồ biến đổi tín hiệu thu phát SC-FDMA 39 Hình 3.1 Bản tin BSR ngắn tin BSR dài 45 Hình 3.2 Mơ hình hệ thống OFDM đa người dùng điển hình 46 Hình 3.3 Trình tự phân bổ tài nguyên thích ứng cho hệ thống MU-OFDM 50 Hình 4.1 So sánh hiệu giải thuật phân bổ tài nguyên thích ứng tối ưu cận tối ưu hệ thống 2-người dùng 10-kênh con: Mật độ phổ công suất AWGN -70dB W/Hz; Độ rộng băng tần khả dụng 1MHz; Công suất phát tổng khả dụng 1W 58 Hình 4.2 Dung lượng người dùng tối thiểu theo số người dùng: Mật độ phổ công suất AWGN -80dB W/Hz; Độ rộng băng tần khả dụng 1MHz, chia thành 64 kênh con; Công suất phát tổng khả dụng 1W [so sánh hiệu dung lượng: (i) phân bổ công suất tối ưu với phân bố công suất nhau; (ii) phân bổ tài nguyên thích ứng với hệ thống TDMA tĩnh] 59 Hình 4.3 Khảo sát dung lượng tổng ergodic hệ thống OFDM 8-người dùng theo tập Γ : Mật độ phổ công suất AWGN -80dB W/Hz; Độ rộng băng tần khả dụng 1MHz, chia thành 64 kênh con; Công suất phát tổng khả dụng 1W; Cơng m suất trung bình E(ch1)=10E(chk) với k=2, ,8; Ràng buộc tốc độ γ = 61 yk = 61 Hình 4.4 Phân bố dung lượng tổng ergodic chuẩn hoá người dùng: ràng buộc tốc độ γ 1= vµ γ 2= = γ 8= 62 Hình 4.5 Dung lượng tổng Ergodic hệ thống OFDMA 16-người dùng theo tập Γ : Mật độ phổ công suất AWGN -80dB W/Hz; Độ rộng băng tần khả dụng 1MHz, chia thành 64 kênh con; Công suất phát tổng khả dụng 1W; Cơng suất kênh trung bình người dùng lớn 12 người dùng lại 10dB; 63 Hình 4.6 Phân bố dung lượng tổng Ergodic chuẩn hoá 16 người dùng: tham số mơ giống hình 4.7 ràng buộc tốc độ = γ k 8= v¬Ý k=1, ,4 k vơí k=5, ,16 65 Hình 4.7 Dung lượng tổng Ergodic theo số người dùng Nt=4 Nr=2 74 Hình 4.8 Dung lượng tổng Ergodic theo số người dùng Nt=12 Nr=4 75 Hình 4.9 Dung lượng tổng Ergodic theo số người dùng Nt=8 Nr=1 76 Hình 4.10 Mơ hình hệ thống 77 Hình 4.11 Lưu đồ ước tính kênh MIMO-OFDMA 78 Hình 4.12 Hiệu ước tính cơng suất kênh SNR MIMO-OFDMA 79 Hình 4.13 Hiệu ước tính RDS MIMO-OFDMA 79 Hình 4.14 Lưu đồ cấp phát tài nguyên tổng thể 80 Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật cấp kênh 81 Hình 4.16 Cấp phát dung lượng tổng người dùng (tỉ lệ dung lượng chuẩn hóa người dùng) 82 Hình 4.17 Dung lượng tổng theo số người dùng 83 Hình 4.18 So sánh mức độ phức tạp thuật toán phân bổ tuyến tính phi tuyến 83 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tiến trình phát triển chuẩn 3GPP 17 Bảng 1.2 Các yêu cầu hiệu suất phổ lưu lượng người dùng 20 Bảng 1.3 - Yêu cầu độ trễ chuyển giao, LTE-GSM LTE-WCDMA 22 Bảng 4.1 Các ràng buộc tốc độ (tập Γ ) độ lệch ràng buộc tốc độ cho hình 4.5 & hình 4.6, K=8 60 Bảng 4.2 Các ràng buộc tốc độ (các tập Γ ) độ lệch ràng buộc tốc độ cho hình 4.7 & hình 4.8, K=16 64 Bảng 4.3 Thuật toán lựa chọn người dùng cận tối ưu dựa dung lượng 71 Bảng 4.4 Thuật toán lựa chọn người dùng cận tối ưu dựa tiêu chuẩn Frobenius 73 Bảng 4.5 Các tham số chủ đạo đặc trưng 81 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Tên viết tắt OFDM Tên đầy đủ Orthogonal frequency-division multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Single-carrier frequencydivision multiple access Long Term Evolution Universal Mobile Telecommunications System 3rd Generation Partnership Project Radio Resources Management Radio access network Worldwide Interoperability for Microwave Access Quality of service Block Diagonalization OFDMA SC-FDMA LTE UMTS 3GPP RRM RAN WIMAX 10 11 QoS BD 12 13 QCI ARP 14 GBR QoS Class Identifier Allocation and Retention Priority Guaranteed Bit Rate 15 AMBR Aggregate Maximum Bit Rate 10 Dịch tiếng việt Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn sóng mang Mạng LTE Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu Dự án đối tác hệ thứ Quản lý tài nguyên tần số Mạng truy nhập vô tuyến Mạng WIMAX Chất lượng dịch vụ Thuật tốn BD (chéo hóa khối) Thơng số phân cấp QoS Độ ưu tiên cấp phát trì Tốc độ đảm bảo (hay tốc độ bit tối thiểu) Quy định băng thơng tối đa mà sóng mang dùng dung lượng, có quan hệ mật thiết với dung lượng cho thấy tồn lượng kênh, nghĩa tổng giá trị riêng HH* H F Cho si số người dùng chọn lần lặp i, tức si ∈ {1, 2, , K } ≤ i ≤ Kˆ ; Ω tập người dùng không chọn; ϒ tập người dùng chọn; Vk sở không gian vector hàng Hk thực trực giao hóa Gram-Schmidt lên hàng Hk Thuật toán chọn người dùng dựa chuẩn Frobenius cho Bảng 4.4, với hàm ý chọn tập người dùng có tổng lượng kênh hiệu dụng lớn Cần lưu ý bước không phụ thuộc vào SNR (tức P) Một Kˆ người dùng chọn, cuối bước chọn người dùng (có thể tập Kˆ người dùng chọn bước 2) theo thuật tốn dựa vào dung lượng, có xét đến SNR Rõ ràng, thuật tốn thực SVD thuật tốn dựa vào dung lượng Bảng 4.4 Thuật toán lựa chọn người dùng cận tối ưu dựa tiêu chuẩn Frobenius Khởi đầu, Ω ={1, 2, , K } ϒ = ∅ ; s1 = arg max H k F ; V = Vs ; Ω = Ω − {s1} ; k∈Ω ϒ = ϒ + {s1} Cho i = : Kˆ  không gian không = H − H V *V Khi H (a) Với k ∈ Ω , cho H k k k k V Cho j=1:i-1 T T T T T ˆ  T  i H s ,k =  H s  H s H s  H s H s  j j −1 j +1 i −1 k ˆ ii Đặt Ws ,k sở hàng H s , k trực giao hóa Gram-Schmidt j j = H − H W* W Khi H  khơng gian khơng (b) Với s ∈ ϒ , đặt H s s s s ,k s ,k s ˆ Đặt H s ,k   si arg max  ∑ H = s k∈Ω  s∈ϒ F  + H k F    (c) Đặt Ω = Ω − {si } ϒ = ϒ + {si } Áp dụng thủ tục trực giao Gram-Schmidt 73  Đặt V =  VT V  nhận V  T T lên H s s s   i i i Ứng dụng thuật toán lựa chọn người dùng cận tối ưu dựa dung lượng tổng cho tập ϒ , nhận tập người dùng chọn cuối thông lượng tổng Dưới đây, ta so sánh hiệu thuật tốn: • Lựa chọn người dùng tối ưu nhờ tìm kiếm đầy đủ (tối ưu BD), • Thuật toán lựa chọn người dùng dựa dung lượng (BD c-algorithm), • Thuật tốn lựa chọn người dùng dựa chuẩn Frobenius (BD nalgorithm), • Thuật tốn quay vịng cho Kˆ người dùng đồng thời (không lựa chọn BD) 4.3.4 Các kết mô Dung lượng tổng Ergodic (bits/s/Hz) 35 30 BD tối ưu BD c-algorithm BD n-algorithm BD no selection SNR 20 dB 25 20 SNR 10 dB 15 10 SNR dB 10 30 20 Tổng số người dùng K 40 50 Hình 4.7 Dung lượng tổng Ergodic theo số người dùng Nt=4 Nr=2 74 100 Dung lượng tổng Ergodic (bit/s/Hz) 90 BD Optimal BD c-algorithm BD n-algorithm BD no selection 80 70 SNR 20 dB 60 50 40 SNR 10 dB 30 20 SNR dB 10 10 20 30 Số người dùng 40 Hình 4.8 Dung lượng tổng Ergodic theo số người dùng Nt=12 Nr=4 75 50 Dung lượng tổng Ergodic (bit/s/Hz) 60 50 SNR 20 dB 40 BD Optimal BD c-algorithm BD n-algorithm BD no selection 30 SNR 10 dB 20 SNR dB 10 10 11 12 Số người dùng 13 14 15 16 Hình 4.9 Dung lượng tổng Ergodic theo số người dùng Nt=8 Nr=1 Các hình 4.7 đến hình 4.9 cho thấy dung lượng tổng ergodic (được lấy trung bình 1000 thực kênh) theo số người dùng cho hệ thống MIMO (Nt=4, Nr=2), (Nt=12, Nr=4) (Nt=8, Nr=1), Kˆ = 2,3,8 Hình 4.9 đạt 16 người dùng hệ thống tính phức tạp phương pháp tìm kiếm Trong tất mơ phỏng, thuật tốn lựa chọn người dùng dựa dung lượng dựa chuẩn đạt khoảng 95% thơng lượng tổng phương pháp tìm kiếm đầy đủ Thuật toán dựa dung lượng thực hiệu thuật tốn dựa vào chuẩn tiêu chuẩn lựa chọn người dùng trực tiếp dựa vào dung lượng tổng Khi SNR nhỏ (SNR=0 dB), thuật toán ta gần đạt dung lượng tổng phương pháp tìm kiếm đầy đủ, lẽ hướng người dùng có dung lượng cao nhất, (bước thuật toán chọn người dùng dựa vào dung lượng) tối ưu dung lượng tổng BD vùng SNR nhỏ Khi SNR lớn, thuật toán ta khơng phải lúc tìm tập người dùng tối ưu phạm vi tìm kiếm bị giảm đạt phần lớn dung lượng tổng ergodic phương pháp tìm kiếm triệt để hai thuật tốn tối đa thơng lượng tổng 76 4.4 Giải thuật chương trình mơ phân bổ tài nguyên thích ứng hệ thống MIMO-OFDMA đa người dùng Hình 4.10 Mơ hình hệ thống  Giải thuật ước tính kênh MIMO-OFDM Lưu đồ ước tính tham số kênh cho mơ hình kênh MIMO-OFDMA cho hình 4.11 Các kết mơ hiệu ước tính tham số kênh RDS SNR cho hình 4.12 hình 4.13, chúng cho thấy cần ước tính khoảng 12 ký hiệu OFDMA đủ độ xác 77 Dữ liệu từ người dùng Nhập thông số kênh vô tuyến (kịch kênh); thông số mô phỏng; thơng số cấu hình kênh Lấy mẫu kênh MIMO-OFDMA pha đinh đa đường Xắp xếp ký hiệu điều chế; Xắp xếp sóng mang liệu; Chèn sóng mang hoa tiêu; Chuyển đổi nối tiếp thành song song S/P Thực IFFT; Chuyển đổi song song nối tiếp P/S; Chèn tiền tố tuần hoàn CP Qua kênh MIMO pha đinh đa đường nTime=nTi me+1 Khử tiền tổ tuần hoàn CP; Chuyển đổi S/P; Thực FFT Tách sóng mang liệu; Tách sóng mang hoa tiêu nframe=nf rame+1 Ước tính tham số kênh dựa vào hoa tiêu/mỗi thực kênh Đúng nframe