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 THÔNG Bình Định - Năm 2021 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 Mã số : Kỹ thuật viễn thông : 8520208 Người hướng dẫn: TS Hồ Văn Phi LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan lý thuyết kết mơ 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 trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Bình Định, ngày 01 tháng 06 năm 2021 Người thực Dương Nguyễn Hiển Hồng MỤC LỤC •• LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ 3.1 Bài tốn 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 3.4.2 3.4.3 DANH MỤC VIẾT TẮT 3.4.4 3.4.5 Từ 3.4.6 Tiếng Anh STT viết tắt 3.4.7 Tiếng Việt 3.4.8.3.4.9 3GP 3.4.10 Generation Patnership Project hệ 3.4.14 3.4.15 3.4.16 P 3.4.12 3.4.13 ARQ 3.4.17.3.4.18 CSFB DCCH DL-SCH DSL 3.4.21.3.4.22 3.4.25.3.4.26 3.4.29.3.4.30 3.4.34 3.4.33 E- UTRAN 3.4.35 3.4.38 3.4.39 eNodeB Third Automatic Repeat Request 3.4.36 Evolved UMTS Terrestrial Radio Access 3.4.40 Evolved Packet Core 3.4.43 3.4.44 3.4.45 Evolved Packet Core 10 FDD 3.4.52 3.4.53 11 GSM 3.4.56 3.4.57 12 HSPA 3.4.60 3.4.61 13 HSS 3.4.64 3.4.65 14 KPI 3.4.68 r-p-| A J /V z\ A A Tham số tự động yêu cầu truyền lại gói tin Circuit Switched 3.4.20 Tính chuyển Fall Back mạch kênh 3.4.23 Dedicated 3.4.24 Kênh điều khiển Control Channel dành riêng 3.4.27 Downlink 3.4.28 Kênh chia sẻ Shared Channel đường xuống 3.4.31 Digital 3.4.32 Kênh thuê bao số Subcriber Line Enhance NodeB 3.4.48 3.4.49 Dự án hợp tác 3.4.19 3.4.41 EPC 3.4.11 3.4.50 Frequency Division Duplex 3.4.54 Global System for Mobile 3.4.58 High Speed Packet Access 3.4.62 Home Subscriber Server 3.4.66 Key Performance Indicator 3.4.37 Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến 3.4.42 Mạng lõi gói NodeB cải tiến 3.4.46 Phần mạng lõi hệ thống 3.4.47 3.4.51 LTE Ghép kênh phân chia theo tần số 3.4.55 Hệ thống di động tồn cầu 3.4.59 Truy nhập gói tốc độ cao 3.4.63 Quản lý thuê bao 3.4.67 Chỉ số đánh giá hiệu 3.4.69 3.4.70 3.4.71 15 Indicator KQI 3.4.73 3.4.74 16 LTE 3.4.75 3.4.79 17 Control 3.4.72 Chỉ số đánh giá chất lượng Long Term 3.4.76 Tiến hóa dài hạn Medium Access 3.4.80 Điều khiển trung Evolution 3.4.77 3.4.78 MAC Key Quality nhập trung bình 3.4.81 3.4.82 3.4.83 18 Broadcast Multicast Services bá đa phương tiện băng rộng 3.4.87 3.4.88 MBMS 3.4.85 3.4.86 19 MCCH 20 MCH 3.4.89 3.4.90 3.4.93 3.4.94 21 MIMO 3.4.97 3.4.98 22 OFDM 3.4.102 3.4.103 23 PBCH 24 PCCH 25 PCH 3.4.106 3.4.107 3.4.110 3.4.111 3.4.114 3.4.115 26 PDCCH Multimedia Multicast Control Channel 3.4.91 Multicast Chanel 3.4.95 Multi Input Multi Output 3.4.99 Orthogonal Frequency 3.4.100 3.4.104 Division Physical Broadcast Channel 3.4.108 Paging Control Channel 3.4.112 Paging Channel 3.4.116 Physical Downlink Control 3.4.117 Channel 3.4.119 3.4.120 3.4.121 Packet Data 27 Network Serving Gateway PDN-SGW 3.4.123 3.4.124 28 PUCCH 3.4.125 Control 3.4.128 3.4.129 3.4.126 3.4.130 29 Network RAN 3.4.132 3.4.133 30 RLC 3.4.136 Physical Uplink 3.4.134 Control Channel Radio Access 3.4.84 Các dịch vụ quảng Kênh điều khiển quảng bá 3.4.92 Kênh quảng bá 3.4.96 Đa đầu vào đa đầu 3.4.101 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 3.4.105 Kênh vật lý quảng bá 3.4.109 Kênh điều khiển tin nhắn 3.4.113 Kênh tin nhắn 3.4.118 Kênh vật lý điều khiển đường xuống 3.4.122 Cổng dịch vụ mạng liệu gói 3.4.127 Kênh vật lý điều khiển đường lên 3.4.131 Mạng truy nhập vô tuyến Radio Link 3.4.135 vô tuyến Điều khiển kết nối 3.4.137 3.4.138 3.4.139 31 Control RNC 3.4.141 3.4.142 32 RSRP 3.4.143 Radio Network 3.4.140 Điều khiển mạng vô tuyến Reference 3.4.144 Công suất tín hiệu Signal Receiver Power thu tham khảo 3.4.145 3.4.146 3.4.147 3.4.148 33 Signal Receiver Quality hiệu thu tham khảo 3.4.151 3.4.152 RSRQ 3.4.149 3.4.150 34 SAE 35 SGW 3.4.153 3.4.154 3.4.157 3.4.158 Reference System Architecture Enhance 3.4.155 Serving Gateway 3.4.156 Cổng dịch vụ 3.4.160 Thiết bị người User Equipment 3.4.161 3.4.162 3.4.163 Uplink Shared 37 Channel đường lên UTMS Terrestrial Radio 3.4.169 UE UL-SCH 3.4.165 3.4.166 38 UTRAN 3.4.170 3.4.171 39 WCDMA 3.4.167 3.4.168 3.4.172 Access Wideband Code Division 3.4.173 Multiple Access Cấu trúc hệ thống tăng cường 3.4.159 36 Chất lượng tín dùng 3.4.164 Kênh chia sẻ Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất 3.4.174 Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng 3.4.175 DANH MỤC BẢNG 3.4.176 • 3.4.177 3.4.178 3.4.903 3.4.905 Chỉ xảy N(T) > k , đặc trưng bằng: 3.4.904 = P{N(T) > k} (3.18) Trong thực tế, xác suất vùng phủ máy di động 3.4.906 3.4.907 PC(T) = Pcm(T) Từ (4), dựa luật xác suất suy ra: 3.4.908 P{N(T) < T} 3.4.909 - PC(T) = (3.19) Theo định nghĩa hàm phân bố xác suất ta có: 3.4.910 PC*{N(T)} 3.4.911 1-PC(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: 3.4.912 ZỈ=onP{N(T) = n} 3.4.913 3.4.914 Nếu tính ảnh hưởng fading Rayleigh thì: PC(T) = 3.4.915 E[N(T)] = (3.21) (YI)-1F W+I-(Y1)-1F (3.22) Ở đây, Y1 tổn hao đường truyền bé máy di động khơng có fading 3.4.916 Fx biến fading ngẫu nhiên 3.4.917 Khi kênh có fading Rayleigh, xác suất vùng phủ tính: 3.4.918 2 Tt2/0 2FÍ(1,1-2/P;2-2/P;-T\ dt exp ỉ 1-2/p (3.23) )M ! -1 CTWa 3.4.920.3.4.919 f c(T) = 2i“tf e- -P/ e 3.4.921 Ở F1(a, b, c, z) hàm hypergeometic 3.4.922 Giá trị trung bình Pc(T) 3.4.923 P ST(W + /(S.«))}/r (s)ds 3.4.924 ;co _ 3.4.925 (sT)fY1(s)ds 3.4.926 Lw(sT)L(S,õ) (3.24) Sau chương trình tính tốn xác suất vùng phủ, ta xây dựng chương trình để so sánh tính tốn kết 3.4.927 3.4.928 Chương trình hàm function 3.4.929 simPCovk=funSimLogNormProbCov(tValues,betaConst,K,lambda,sigm a,W, diskRadius,simNumb,k) 3.4.930 Chương trình hàm 3.4.931 function PCov=funProbCov(tValues,betaConst,x,numbMC,k) 3.4.932 Ở đây, tham số chương trình là: 3.4.933 tValues : giá trị ngưỡng SINR; tValues vector betaCounst : số mũ tổn hao đường truyền 3.4.934 K : Hằng số tổn hao đường truyền 3.4.935 Lambda : Mật độ trạm gốc 3.4.936 Sigma : Tham số độ sai số 3.4.937 W : Hằng số ồn 3.4.938 diskRadius : Bán kính 3.4.939 simNumb 3.4.940 k : 3.4.941 Các tham số chương trình là: tValues : giá trị ngưỡng : Số thuê bao (SIM) Số vùng phủ SINR 3.4.942 betaCounst : số mũ tổn hao đường truyền 3.4.943 x : tham biến vào, tính x=W*aA(-2/betaConst) 3.4.944 numbMC : Là số điểm mẫu 3.4.945 k : Số vùng phủ 3.4.946 Hàm function simPCovk=funSimLogNormProbCov hàm 3.4.947 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 3.4.948 Bảng 3.2 đưa tham số tính tốn xác suất vùng phủ 3.4.949 Bảng 3.2: Các tham số mô xác suất vùng phủ 3.4.950 Th 3.4.951 Giá trị am số 3.4.952 tV 3.4.953 9.8 alues bet 3.4.955 3.4.954 3.800000000 aConst la 3.4.957 0000000 3.4.956 0.144000000 mbda K 3.4.959 0000000 3.4.958 0.000144717 3.4.960 sig 3.4.961 8002894 3.000000000 maDb sig 3.4.963 0000000 3.4.962 2.302600000 ma No 3.4.965 0000000 3.4.964 0.000000000 ise(N) P 3.4.967 0002512 3.4.966 1659.586907 4375700000 3.4.976 3.4.968 (N/P) 3.4.970 mNumb 3.4.972 kRadius 3.4.974 W si dis k 3.4.969 0.000000000 3.4.971 0000002 10000.00000 00000000000 3.4.973 20.00000000 3.4.975.00000000 1.000000000 0000000 3.4.977 Ta đưa tham số vào: 3.4.978 tValues=9.8 ngưỡng SINR (Là giá trị ngưỡng T) lambda=0.2887/2 tham số trạm gốc 3.4.979 betaCoust=3.8 tham số tổn hao đường truyền 3.4.980 K=6910 km , tham số K betaconst lấy dựa mơ hình -1 Walfisch- Ikegami 3.4.981 sigmDb=3, sigma=sigmDb./10*log(10) 3.4.982 ESTwoBeta = exp(sigmaA2*(2-betaConst)/betaConstA2) 3.4.983 Các tham số tiếng ồn tính N=10A(-96/10)/1000; P=10A(62.2/10)/1000; W=N/P; 3.4.984 x=W*aA(-2/betaConst) tNumb=length(tValues); 3.4.985 k=1; 3.4.986 numb MC=10A3; simNumb=10A4; 3.4.987 diskRadius=20 ; 3.4.988 Kết thu 1- SimpCovK= 0.8174 1- PCov=0.8187 3.4.989 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.A(tValuesDb/10); 3.4.990 Với giá trị SINR khoảng từ -5dB đến dB giá trị tValues tương ứng 3.4.991 3.4.992 3.4.993 3.4.994 3.4.995 3.4.996 0.316 0.5012 0.6310 0.7943 1.00 3.4.997 0.3981 3.4.998 3.4.999 3.4.1000 3.4.1001 3.4.1002 1.258 1.5849 1.9953 2.5119 3.1623 3.9811 3.4.1006 3.4.1007 3.4.1008 3.4.1003 3.4.1004 3.4.1005 3.4.1009 5.0119 6.3096 7.9433 3.4.1010 Giá trị trả tương ứng 1-Pc(T) là: 3.4.1011 Với 1-SimpCovK: 0.2507 0.3083 3.4.1012 0.3705 0.4294 0.4893 0.5497 3.4.1013 3.4.1014 3.4.1015 3.4.1016 3.4.1017 3.4.1018 0.603 0.6910 0.7274 0.7605 3.4.1022 3.4.1023.0.78 3.4.1024 3.4.1019 0.6495 3.4.1020 3.4.1021 0.814 0.8369 0.8565 3.4.1026.3.4.1027.3.4.1028.3.4.1029 3.4.1025 Với 1-PCov: 3.4.1030 3.4.1031 3.4.1032 3.4.1033 3.4.1034 3.4.1035 0.261 0.3183 0.3774 0.4370 0.4953 0.55 3.4.1036 3.4.1037 3.4.1038 3.4.1039 3.4.1040 3.4.1041 0.602 0.6479 0.6881 0.7237 0.7552 0.78 3.4.1045 3.4.1046 3.4.1047 3.4.1042 3.4.1043 3.4.1044 3.4.1048 3.4.1049 0.807 0.8298 0.8492 3.4.1050 Kết biểu thị hình 3.5 3.4.1051 3.4.1052 3.4.1053 3.4.1054 Hình 3.5: Kết mơ xác suất vùng phủ Xem kết tính toán ta xác định giá trị ngưỡng tValues tốt để tính xác suất vùng phủ 3.4.1055 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.A(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 3.4.1056 ❖ 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 3.4.1057 Ta xây dựng chương trình tính tốn xác suất vùng phủ với ảnh hưởng fading: Chương trình 3.4.1058 function simPCovFade=funSimLogNormProbCovFade(tValues,betaConst,K,lambda,sigma ,W,diskRadius,simNumb) 3.4.1059 3.4.1060 3.4.1061 Chương trình function CovPFade=funProbCovFade(tValues,betaConst,x) Cả hai chương trình trả kết xác suất phủ vùng với ảnh hưởng fading 3.4.1062 Các tham số đưa vào giống mục 2.8, có bán kính tăng gấp 2, tức diskRadius=40; 3.4.1063 Kết mô hiển thị hình 3.6 3.4.1064 3.4.1065 3.4.1066 3.4.1067 Hình 3.6: Kết mô xác suất vùng phủ với ảnh hưởng fading ❖ Nhận xét: 3.4.1068 - Kết mơ hình 3.6 nhận xét kết mô phần 3.4.1069 3.4.1070 - Diễn biến kết mô gần sát với đường lý thuyết - Khi có fading đường 1-P(T) cao khơng có fading, nghĩa vùng phủ 3.4.1071 3.7 - Giá trị T tốt nên chọn 9.8