Giải pháp tối ưu dung lượng trong hệ thống thông tin di động LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN DƯƠNG NGUYỄN HIỂN HOÀNG GIẢI PHÁP TỐI ƯU DUNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Bình Định – Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN DƯƠNG NGUYỄN HIỂN HOÀNG GIẢI PHÁP TỐI ƯU DUNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông Mã số : 8520208 Người hướng dẫn: TS Hồ Văn Phi Bình Định – Năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan lý thuyết kết mô phỏng, đo đạc xác trung thực, rõ ràng Luận văn tác giả tìm hiểu, nghiên cứu hướng dẫn TS Hồ Văn Phi Trong luận văn có sử dụng tài liệu tham khảo trích dẫn theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Bình Định, ngày 01 tháng 06 năm 2021 Người thực Dương Nguyễn Hiển Hoàng LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô khoa Kỹ thuật Công nghệ, đặc biệt TS Hồ Văn Phi tận tình hướng dẫn giúp đỡ suốt q trình hồn thành luận văn tốt nghiệp Tác giả xin chân thành cảm ơn động viên, giúp đỡ gia đình, bạn bè q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Bình Định, ngày 01 tháng 06 năm 2021 Người thực Dương Nguyễn Hiển Hoàng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………… 1 Lý chọn đề tài Tình hình nghiên cứu Mục tiêu đề tài Nội dung đề tài Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG LTE 1.1 Giới thiệu mạng thông tin (NGN) 1.2 Đặc điểm mạng NGN 1.3 Khái niệm mạng LTE 1.4 Kỹ thuật đa truy nhập mạng LTE 1.4.1 Kỹ thuật OFDM 1.4.2 Kỹ thuật OFDMA 10 1.4.3 Kỹ thuật SC-FDMA 11 1.5 Cấu trúc mạng LTE 13 1.5.1 Thiết bị người dùng (UE) 14 1.5.2 E-UTRAN Evolved Packet Core (EPC) E-UTRAN 14 1.6 Cấu trúc giao thức E-UTRAN 15 1.6.1 Điều khiển vô tuyến (RLC) 18 1.6.2 Điều khiển truy nhập trung gian (MAC) 19 1.6.3 Các kênh logic kênh truyền tải 19 1.7 Tóm tắt chương 20 CHƯƠNG CƠ SỞ LẬP KẾ HOẠCH MẠNG 21 2.1 Những vấn đề thiết kế tế bào 21 2.1.1 Phân loại tế bào 21 2.1.1.1 Sử dụng lại tần số 23 2.1.1.2 Tính tốn lưu lượng 25 2.1.1.3 Chuyển giao 27 2.1.1.4 Chia tế bào 28 2.1.2 Q trình tính tốn hệ thống tế bào 29 2.2 Các mơ hình tính tốn……………………………………………………30 2.3 Mơ hình Macrocell 32 2.4 Mơ hình Microcell 33 2.4.1 Mơ hình Microcell hai chiều 34 2.4.2 Mơ hình chiều 36 2.5 Mô hình truyền sóng nhà 36 2.6 Tính tốn vùng phủ sóng 37 2.7 Tính tốn lưu lượng 39 2.8 Số kênh yêu cầu 40 2.9 Tính tốn can nhiễu 41 2.10 Tóm tắt chương 43 CHƯƠNG TỐI ƯU MẠNG DI ĐỘNG LTE 44 3.1 Bài toán tối ưu 44 3.2 Phương pháp Gradient 45 3.3 Quy hoạch tuyến tính 46 3.4 Quy hoạch phi tuyến 47 3.4.1 Quy hoạch dạng toàn phương 47 3.4.1.1 Dạng tắc 48 3.4.1.2 Dạng chuẩn 48 3.4.1.3 Dạng hỗn hợp 48 3.4.2 Phương pháp Hildreth-D’Esopo 49 3.5 Các giải thuật cho toán tối ưu cấu trúc mạng di động hệ 49 3.5.1 Thuật toán di truyền 50 3.5.2 Thuật toán di truyền đa mục tiêu……………………………………53 3.5.3 Thuật tốn Tabu Search…………………………………………… 54 3.6 Mơ phỏng, tính tốn đánh giá……………………………………… 56 3.6.1 Mơ phỏng, tính tốn đánh giá……………………………………56 3.6.2 Mô cường độ Erlang theo kênh…………………………… 59 3.6.3 Mơ phỏng, tính tốn xác suất vùng phủ 61 3.6.3.1 Tính tốn xác suất vùng phủ 61 3.6.3.2 Mô kết xác suất vùng phủ…………………… 64 3.7 Tóm tắt chương 3…………………………………………………………69 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 DANH MỤC VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Tiếng Anh Third Generation Patnership Tiếng Việt Dự án hợp tác hệ 3GPP ARQ Automatic Repeat Request CSFB Circuit Switched Fall Back Tính chuyển mạch kênh DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển dành riêng DL-SCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống DSL Digital Subcriber Line Kênh thuê bao số E- UTRAN Evolved UMTS Terrestrial EPC Radio Access eNodeB EPC Evolved Packet Core Phần mạng lõi hệ thống LTE 10 FDD Frequency Division Duplex Ghép kênh phân chia theo tần số 11 GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu 12 HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao 13 HSS Home Subscriber Server Quản lý thuê bao 14 KPI Key Performance Indicator Chỉ số đánh giá hiệu Project Evolved Packet Core Enhance NodeB Tham số tự động yêu cầu truyền lại gói tin Mạng truy nhập vơ tuyến cải tiến Mạng lõi gói NodeB cải tiến 15 KQI Key Quality Indicator Chỉ số đánh giá chất lượng 16 LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn 17 MAC Medium Access Control 18 MBMS Multimedia Broadcast Multicast Services Các dịch vụ quảng bá đa phương tiện băng rộng 19 MCCH Multicast Control Channel Kênh điều khiển quảng bá 20 MCH Multicast Chanel Kênh quảng bá 21 MIMO Multi Input Multi Output Đa đầu vào đa đầu 22 OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần số Division Multiple trực giao 23 PBCH Physical Broadcast Channel Kênh vật lý quảng bá 24 PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tin nhắn 25 PCH Paging Channel Kênh tin nhắn 26 PDCCH Physical Downlink Control Channel Kênh vật lý điều khiển đường xuống 27 PDN-SGW Packet Data Network Serving Cổng dịch vụ mạng liệu gói Gateway 28 PUCCH 29 30 Điều khiển trung nhập trung bình Physical Uplink Control Kênh vật lý điều khiển đường Channel lên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến 31 RNC Radio Network Control Điều khiển mạng vô tuyến 32 RSRP Reference Signal Receiver Power Cơng suất tín hiệu thu tham khảo 33 RSRQ Reference Signal Receiver Chất lượng tín hiệu thu tham Quality khảo 34 SAE System Architecture Enhance Cấu trúc hệ thống tăng cường 35 SGW Serving Gateway Cổng dịch vụ 36 UE User Equipment Thiết bị người dùng 37 UL-SCH Uplink Shared Channel Kênh chia sẻ đường lên 38 UTRAN UTMS Terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến mặt Access Networks đất 39 WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng 60 Hình 3.4: Mơ cường độ (Erlang) theo kênh Rõ ràng từ kết mơ bên trên, ta tính xác suất chặn, số kênh lưu lượng giá trị tương quan, theo công thức 2.7, 2.8 2.9 Từ từ số liệu thống kê số thuê bao, thời gian gọi, trung bình gọi ta xác định số kênh tối thiểu số kênh vừa đủ với giá trị ngưỡng xác suất chặn Vì lưu lượng thay đổi theo khoảng thời gian ngày, ấn định số kênh miền thời gian ngày tiết kiệm chi phí phổ đảm bảo chất lượng dịch vụ với giá trị tham số xác suất chặn cho phép Ở đây, ta xác định số kênh tối ưu, lưu lượng tối ưu ngưỡng xác suất chặn phù hợp miền thời gian 3.6.3 Mô phỏng, tính tốn xác suất vùng phủ 3.6.3.1 Tính tốn xác suất vùng phủ 61 Đây khái niệm mới, sử dụng cho mạng di động hệ thực thủ tục chuyển giao mềm Khi máy di động thực di chuyển vào vùng biên tế bào, xung quanh có nhiều tế bào trạm gốc khác Máy di động thực bắt tay với trạm gốc khác nhau, việc bắt tay thực tỉ số tín hiệu nhiễu SINR máy trạm gốc đặt ngưỡng T Tất trạm gốc thu tín hiệu máy di động có ngưỡng SINR>T tạo nên vùng có khả chuyển giao thông tin cho máy di động Đặc trưng cho khả xảy vùng ta đưa khái niệm xác suất vùng phủ sóng Và việc chuyển giao thực xảy máy thu máy di động nhận tín hiệu trạm gốc đảm bảo SINR lớn Kí hiệu SINR máy di động trạm gốc x 𝑆𝐼𝑁𝑅(𝑥) = 𝑆𝑥 /ℓ(|𝑥|) 𝑊+𝐼−𝑆𝑥 /ℓ(|𝑥|) (3.15) Ở đây, W số công suất nhiễu, tạp âm 𝐼 = ∑𝑥∈Φ  𝑆𝑥 /ℓ(|𝑥|) tổng cơng suất thu tồn thể tế bào khác mạng l(/x/) làm tổn hao đường truyền ℓ(|𝑥|) = (𝐾|𝑥|)𝛽 (3.16) Với k >  >2 Bài tốn đặt phải tính phân bố số vùng phủ máy di động số trạm gốc mà máy di động kết nối mức SINR cho trước Kí hiệu số trạm gốc N(T) 𝑁(𝑇) = ∑𝑥∈Φ  1[SINR(𝑥) > 𝑇] (3.17) Xác suất để máy di động phủ k trạm gốc, gọi xác suất vùng phủ k 62 Chỉ xảy N(T)  k , đặc trưng bằng: (𝑘) 𝑃𝑐 (𝑇) = 𝑃{𝑁(𝑇) ≥ 𝑘} (3.18) Trong thực tế, xác suất vùng phủ máy di động (1) 𝑃𝑐 (𝑇) = 𝑃𝑐 (𝑇) Từ (4), dựa luật xác suất suy ra: − 𝑃𝑐 (𝑇) = 𝑃{𝑁(𝑇) < 𝑇} (3.19) Theo định nghĩa hàm phân bố xác suất ta có: − 𝑃𝑐 (𝑇) = 𝑃𝑐∗{𝑁(𝑇)} (3.20) Đây phân bố số vùng phủ máy di động Từ (3.20) ta suy hàm mật độ phân bố số vùng phủ máy di động Và từ sử dụng mối quan hệ xác suất ta tính số vùng phủ trung bình: 𝐸[𝑁(𝑇)] = ∑∞ 𝑛=0  𝑛𝑃{𝑁(𝑇) = 𝑛} (3.21) Nếu tính ảnh hưởng fading Rayleigh thì: 𝑃⃗⃗𝑐 (𝑇) = 𝑃 { (𝑌1 )−1 𝐹 𝑊+𝐼−(𝑌1 )−1 𝐹 > 𝑇} (3.22) Ở đây, Y1 tổn hao đường truyền bé máy di động fading Fx biến fading ngẫu nhiên Khi kênh có fading Rayleigh, xác suất vùng phủ tính: 𝑃⃗⃗𝑐 (𝑇) = 2 ∞ −1 𝛽 ∫0  𝑡 𝛽 𝑒 −𝑡𝑇𝑊𝑎−𝛽/2𝑒 −𝑡 𝛽 × exp (− 𝑇𝑡 2/𝛽 𝐹1 (1,1−2/𝛽;2−2/𝛽;−𝑇 𝛽 1−2/𝛽 ) 𝑑𝑡 (3.23) 63 Ở F1(a, b, c, z) hàm hypergeometic Giá trị trung bình 𝑃⃗⃗c(T) ∞ 𝑃⃗⃗𝑐 (𝑇) = ∫0  𝑃{𝐹1 ≥ 𝑠𝑇(𝑊 + 𝐼(𝑠,∞))}𝑓𝑌1 (𝑠)𝑑𝑠 ∞ = ∫0  𝐿𝑤 (𝑠𝑇)𝐿(𝑠,∞)(𝑠𝑇)𝑓𝑌1 (𝑠)𝑑𝑠 (3.24) Sau chương trình tính toán xác suất vùng phủ, ta xây dựng chương trình để so sánh tính tốn kết Chương trình hàm function simPCovk=funSimLogNormProbCov(tValues,betaConst,K,lambda,sigma,W, diskRadius,simNumb,k) Chương trình hàm function PCov=funProbCov(tValues,betaConst,x,numbMC,k) Ở đây, tham số chương trình là: tValues : giá trị ngưỡng SINR; tValues vector betaCounst : số mũ tổn hao đường truyền K : Hằng số tổn hao đường truyền Lambda : Mật độ trạm gốc Sigma : Tham số độ sai số W : Hằng số ồn diskRadius : Bán kính simNumb : Số thuê bao (SIM) k : Số vùng phủ Các tham số chương trình là: tValues : giá trị ngưỡng SINR 64 betaCounst : số mũ tổn hao đường truyền x : tham biến vào, tính x=W*a^(-2/betaConst) numbMC : Là số điểm mẫu k : Số vùng phủ Hàm function simPCovk=funSimLogNormProbCov hàm function PCov=funProbCov trả giá trị hệ số xác suất vùng phủ K dựa tính tốn SINR 3.6.3.2 Mơ kết xác suất vùng phủ Bảng 3.2 đưa tham số tính toán xác suất vùng phủ Bảng 3.2: Các tham số mô xác suất vùng phủ Tham số Giá trị tValues 9.8 betaConst lambda K sigmaDb sigma Noise(N) P W(N/P) simNumb diskRadius k 3.8000000000000000 0.1440000000000000 0.0001447178002894 3.0000000000000000 2.3026000000000000 0.0000000000002512 1659.5869074375700000 0.0000000000000002 10000.0000000000000000 20.0000000000000000 1.0000000000000000 Ta đưa tham số vào: tValues=9.8 ngưỡng SINR (Là giá trị ngưỡng T) lambda=0.2887/2 tham số trạm gốc 65 betaCoust=3.8 tham số tổn hao đường truyền K=6910 km-1, tham số K betaconst lấy dựa mơ hình WalfischIkegami sigmDb=3, sigma=sigmDb./10*log(10) ESTwoBeta = exp(sigma^2*(2-betaConst)/betaConst^2) Các tham số tiếng ồn tính N=10^(-96/10)/1000; P=10^(62.2/10)/1000; W=N/P; x=W*a^(-2/betaConst) tNumb=length(tValues); k=1; numbMC=10^3; simNumb=10^4; diskRadius=20 ; Kết thu 1- SimpCovK= 0.8174 1- PCov=0.8187 Để hiển thị kết biểu đồ, ta cho giá trị tVlaluesDb miền sau tValuesDb=(tMinDb:tMaxDb) với tMinDb=-10 dB TmaxDb=25dB Giá trị ngưỡng T tValues=10.^(tValuesDb/10); Với giá trị SINR khoảng từ -5dB đến dB giá trị tValues tương ứng 0.3162 0.3981 0.5012 0.6310 0.7943 1.0000 1.2589 1.5849 1.9953 2.5119 3.1623 3.9811 5.0119 6.3096 7.9433 0.4893 0.5497 Giá trị trả tương ứng 1-Pc(T) là: Với 1-SimpCovK: 0.2507 0.3083 0.3705 0.4294 66 0.6031 0.6495 0.6910 0.8148 0.8369 0.8565 0.7274 0.7605 0.7891 Với 1-PCov: 0.2615 0.3183 0.3774 0.4370 0.4953 0.5513 0.6025 0.6479 0.6881 0.7237 0.7552 0.7831 0.8079 0.8298 0.8492 Kết biểu thị hình 3.5 Hình 3.5: Kết mô xác suất vùng phủ Xem kết tính tốn ta xác định giá trị ngưỡng tValues tốt để tính xác suất vùng phủ 67 Nhìn hình 3.5 trên, trục hồnh T (dB) giá trị sử dụng để tính tham số cho ngưỡng T Nhắc lại giá trị ngưỡng T tham số tValues chương trình mơ tính tValues=10.^(tValuesDb/10) mà miền tValuesDb từ -10 đến 25 Trục tung 1-Pc (T) giá trị trả tương ứng chương trình trên, xác suất vùng phủ k  Nhận xét: - Đường cong nét liền kết hiển thị chương trình hàm function simPCovk = funSimLogNormProbCov tính tốn dựa mơ hình Walfisch-Ikegami Đường cong đứt nét chấm tròn kết hiển thị chương trình hàm function PCov=funProbCov tính tốn phương pháp nêu mục Kết hai phương pháp tính gần xấp sỉ thể hai đường cong gần trùng Sử dụng phương pháp tính thuận lợi cho lập trình, dễ dàng tính vùng phủ thời điểm chuyển giao máy di động Phương pháp sử dụng để tính cho mạng di động hệ - Với tham số mơ chương trình biến thiên đường cong ta thấy T > 12 giá trị 1-P(T) tiến tới giá trị bão hòa Trong vùng việc tăng T nghĩa tăng cơng suất phát khơng có lợi - Giá trị chọn T tốt 9.8 < T < 12 Ta xây dựng chương trình tính tốn xác suất vùng phủ với ảnh hưởng fading: Chương trình function simPCovFade=funSimLogNormProbCovFade(tValues,betaConst,K,lambda,sigma ,W,diskRadius,simNumb) Chương trình 68 function CovPFade=funProbCovFade(tValues,betaConst,x) Cả hai chương trình trả kết xác suất phủ vùng với ảnh hưởng fading Các tham số đưa vào giống mục 2.8, có bán kính tăng gấp 2, tức diskRadius=40; Kết mơ hiển thị hình 3.6 Hình 3.6: Kết mơ xác suất vùng phủ với ảnh hưởng fading  Nhận xét: - Kết mơ hình 3.6 nhận xét kết mô phần - Diễn biến kết mô gần sát với đường lý thuyết 69 - Khi có fading đường 1-P(T) cao khơng có fading, nghĩa vùng phủ - Giá trị T tốt nên chọn 9.8