Nhƣ tên của nó, chiến lƣợc này lập kế hoạch giao khối tài nguyên cho ngƣời sử dụng với các điều kiện liên kết tốt nhất radio nhƣ minh họa trong hình 4.16. Để thực hiện lập kế hoạch, thiết bị đầu cuối Chỉ số chất lƣợng kênh (CQI) đến trạm gốc (BS).Về cơ bản trong đƣờng xuống, BS truyền tín hiệu tham chiếu (downlink thí điểm) cho các thiết bị đầu cuối. Những tín hiệu tham chiếu đƣợc sử dụng bởi UE cho các số đo của các CQI. Một CQI giá trị cao hơn có nghĩa là điều kiện kênh tốt hơn.
Bắt đầu TTI mới Next_UE = Next_UE + 1 Next_RB = Next_RB + 1
Kiểm tra xem Next_UE có vƣợt qua số N_UE chƣa:
Next_UE = Next_UE + 1
Cấp Next_RB cho UE = Next_UE Cấp Next_RB cho UE = 1
Kiểm tra xem Next_RBcó vƣợt qua số N_RB chƣa:
Next_RB = Next_RB + 1
Hình 4.16: Kế hoạch lập lịch Best CQI
Thuật toán Best CQI cũng đƣợc thực hiện trong mỗi TTI. Việc tính toán CQI sẽ thực hiện đối với UE trên từng RB. Tuy nhiên, để giảm tính toán, CQI của từng UE sẽ đƣợc trung bình hóa trong mỗi TTI. CQI tƣơngđƣờng duy nhất của mỗi UE đƣợc tính từ SNR của các RB cấp cho UE đó bằng cách sử dụng kỹ thuật MIESM. Sau đó, giá trịCQI của mỗi UE chỉ là một giá trị duy nhất hồi âm về cho eNodeB. Các giá trị CQI sẽ đƣợc so sánh và chọn CQI lớn nhất trong TTI đó ứng với UEi chẳng hạn. UEi sẽ đƣợc lập lịch cho RB kế tiếp trong TTI. Sau đó, CQI đƣợc tính toán lại và tiếp tục nhƣ trên.
Hình 4.17 Thuật toán Best CQI trong LTE [24] 4.5.5.3. Kỹ thuật lập lịch Proportional Fair (PF)
Proportional Fair là thuật toán kết hợp Max Throughput và Round Robin hay Max Throughput và Max-min. với mục tiêu là tối đa hóa tốc độ, nên các UE đều có phần trong việc cấp phát tài nguyên. Các UE đƣợc xếp theo độ ƣu tiên bởi hàm ƣu tiên. Thông lƣợng trung bình của mỗi UE đƣợc cập nhật sau khi mỗi khối tài nguyên RB đƣợc cấp phát. Ban đầu, bộ lập lịch sẽ cấp phát tài nguyên RB đầu tiên cho UE ngẫu nhiên bất kỳ. Sau đó bộ lập lịch sẽ cấp phát RB cho UE có độ ƣu tiên cao nhất. Nó sẽ lặp lại bƣớc trên đến khi tài nguyên dùng hết hay tất cả tài nguyên cần cho các UE đã thỏa mãn. Cuối cùng có K loại cấp phát RB, bởi vì K loại cấp phát RB đầu tiên.
Bắt đầu TTI mới
Next_RB = Next_RB + 1
Chọn UE i có CQI lớn nhất
Cấp Next_RB cho UE i
Kiểm tra xem Next_RBcó vƣợt qua số N_RB chƣa:
Next_RB = Next_RB + 1
R k, n(m) arg max R (m) bT 1 bT2 ... (0,1) N ,Kx1 vec bTk cT 1 c2 T ... R N ,Kx1 vec ckT T
Thuật toán PF bắt đầu thƣc hiện trong mỗi TTI. Việc quan trọng nhất là tính toán độ ƣu tiên để lựa chọn UE có thông số lớn nhất. Việc tính toán thông số ƣu tiên dựa trên công thức.
i
k
Trong đó: R k,n(m) là tốc độ dữ liệu của UE k đối với khung phụ n ở thời điểm m. Đại diện cho tốc độ dữ liệu UE k có thể có đƣợc nếu đƣợc cấp tài nguyên RB n ở thời điển m. Có thể thấy giá trị này phụ thuộc nhiều vào CQI, nếu CQI càng lớn thì R k,n(m) sẽ càng lớn, lúc đó UE k càng có khả năng đƣợc chọn.
Rk(m) là tốc độ dữ liệu trung bình của UE k trong cửa sổ thời gian trong quá khứ. Đại lƣợng này cho thấy thông lƣợng trung bình mà UE k đã đƣợc sử dụng. Nếu đại lƣợng này càng lớn, UE k càng ít khả năng đƣợc chọn. Nếu đại lƣợng này càng nhỏ, UE k càng có khả năng đƣợc chọn.
Trong thuật toán hình 4.8 ta sẽ tính toán R k,n(m) và Rk(m) sau mỗi khi cấp RB cho mỗi UE. Khi đó mỗi lần cấp xong mỗi RB cho mỗi UE, việc tính toán đƣợc thực hiện lại ngay. Vậy trong mỗi TTI việc tính toán sẽ thực hiện 6 lần ứng với băng thông 1,4 Mhz. Tốc độ dữ liệu R k,n(m) là tốc độ của UE k đối với RB n ở thời điểm m, tốc độ này có thể là 0 hoặc tốc độ RB tính toán từ phƣơng pháp điều chế, phƣơng pháp mã hóa. Từ đó ta tính toán Rk(m) theo công thức.
(1 1 )R (m) 1 R (m)
Rk (m 1) =
TPRF k PF k ,n
(1 1
TPF)Rk (m)
Công thức áp dụng trong trƣờng hợp UE k đƣợc chọn hoặc không đƣợc
chọn. Với TPF là kích thƣớc cửa sổ của thông lƣợng trung bình và có thể điều chỉnh để đảm bảo sự công bằng. Thông thƣờng TPF đƣợc giới hạn trong khoảng cho phép do đó UE không thể thông báo sự biến thiên chất lƣợng của kênh truyền.
c.d CQITb (c.d CQIT c.eT )b
c.R b c.e b
k k k k k k k 1 k k k k
Thông lƣợng kênh của UE k đƣợc tính theo bk và CQI nhƣ sau:
CQITb
R d k k e
k k b k
k 1
Thông lƣợng tính theo bit/s của UE k tính theo b,c và Rk nhƣ sau:
T k
eTb eT
k k k
Hình 4.18 Thuật toán lập lịch PF trong LTE
Bắt đầu TTI mới
Next_RB = Next_RB + 1
Tính toán và chọn UE i có độ ƣu tiên lớn nhất ( tính theo công thức)
Cấp Next_RB cho UE i
Kiểm tra xem Next_RB có vƣợt qua số N_RB chƣa:
Next_RB = Next_RB + 1 không
Có Kết thúc TTI
0 i j c.d CQITb (c.d CQIT c.eT )b c.R b c.e b k k k k k k k 1 k k k k b1 T bT 2 ... (0,1) N ,Kx1 vec bkT c1 T cT 2 ... R N ,Kx1 vec ckT
4.5.5.4. Kỹ thuật lập lịch Max Throughput
Mục đích của kỹ thuật lập lịch Max Throughput là cấp phát tài nguyên sao cho tối đa hóa tổng thông lƣợng của ngƣời dùng UE.
Cho vector bk bk 0,1 Nx1 biểu diễn RB nào cấp cho UE k. bk(n)=1 nếu tài nguyên thứ n đƣợc cấp cho UE k.
Ở đây ta tập trung vào hệ thống SISO, nghĩa là một RB chỉ đƣợc cấp cho một UE, do đó việc cấp phát RB là không đƣợc trùng lặp.
bT .b
j i
Thông lƣợng UE k đƣợc tính bởi công thức:
T c.R(CQI ,b ). b
k k k 1
Nếu bk có giá trị nhị phân và ek = ek .1
T k Trong đó: eTb eT k k k b c
Ma trận b biểu diễn việc cấp phát tài nguyên cho toàn bộ UE nhƣ sau: K hàng đầu biểu diễn cấp phát tài nguyên cho RB đầu tiên cho K UE, K dòng thứ hai biểu diễn việc cấp phát tài nguyên cho RB thứ hai…Ma trận c cũng tƣơngtự ma trận b, nhƣng chứa thông tin tốc độ tƣơngứng.
Khi đó kỹ thuật lập lịch Max Throughput với mục đích tối đa thông lƣợng của UE có thể biểu diễn ở dạng:
b1 *,....b*K arg max K T b ,...b k 1 k
1 k
Sẽ đƣợc biểu diễn ở dạng sau: b* arg max cT .b b
0 i j (0,1) n,k 0 i j (0,1) : 0 i j (0,1) n,k b1 T b2 T ... (0,1) N ,Kx1 vec bT k cT 1 cT 2 ... R N ,Kx1 vec cTk 1 b 1 K 1 Trong đó: bT .b j i bk(n) 4.5.5.5. Kỹ thuật lập lịch Maxmin
Kỹ thuật lập lịch Maxmin có nhiệm vụ tối đa hóa tốc độ của UE có tốc độ thấp nhất. Nghĩa là không thể tăng tốc độ của một UE nếu không giảm tốc độ UE khác.
b*,....b* arg max min cT
.b k k ( ,... ) Trong đó: Cho biến bT .b j i bk(n) b b k b*,....b* . * arg max 1 K (b ,...b . ) Trong đó: 1 k bT .b j i bk(n) Cho vector b: b Cho vector c: c
Cho biến vào b ta có: b R(K.N 1)x1 và cho ck vào ma trận:
C RKx K N
Khi đó: b
n,k
cT .b k
K.N+1 K 0...0 c1, 2 0 c2, 2 0 ... 0 0 c3, 2 ... 0...1 0...1 0...1 ... 0 0 ... c1, 2 0 ... 0 c1, 3 ... 0...0 0...0 ... 0 0 ... arg max 0 KN ,1 .b N j 1 j N j 1 j j j ; F k 1,V tk S k max L L i a,i i tk i m Fi V a i i i i F C Trong đó: Ci,j= -Ci(j) b* b Với: C.b 0K A.b 1 N b(n) 0,1 n 4.5.5.6. Thuật toán lập lịch WFQ [23]
Khác với MSR và PF, mục tiêu chính của WFQ là cung cấp tính công bằng tuyệt đối giữa những luồng dữ liệu chia sẻ băng thông trong một nút mạng. Nó cũng cho phép đảm bảo cung cấp băng thông tối thiểu cho Trƣớc cho một luồng dữ liệu. Trong WFQ, mỗi luồng dữ liệu i đều đƣợc gán một trọng số R ∈ Φ > Φ i i, 0. Băng thông cấp phát cho luồng dữ liệu i đƣợc chia theo tỷ lệ trọng số của luồng i với trọng số tổng của tất cả các luồng đang có dữ liệu nằm trong hàng đợi đầu ra.
Thuật toán WFQ xem xét đến cả độ dài gói tin và dung lƣợng kênh khi cấp phát băng thông cho luồng dữ liệu. Một gói tin đến đƣợc gán một thời gian kết thúc (finish time) đƣợc tính dựa trên giá trị trọng số của luồng, độ dài gói tin và dung lƣợng kênh truyền. Một khi các giá trị trọng số đã đƣợc gán cho mỗi luồng, các gói tin đến bộ lập lịch sẽ đƣợc gán một giá trị thời gian kết thúc ảo (virtual finish time). Gọi Fk , S k lần lƣợt là nhãn thời gian kết thúc ảo (finish tag) và nhãn thời gian bắt đầu ảo (start tag) của gói thứ k của kết nối i, và V(t) là thời gian ảo của hệ thống (virtual system time) ở thời điểm t. Fk , S k và V(t) đƣợc tính nhƣ sau:
Si k i
Chú ý rằng ban đầu WFQ đƣợc thiết kế không phải cho mạng không dây mà chủ yếu để đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cho mạng lõi, do đó WFQ không thích hợp cho mạng không dây, đặc biệt là nó không có khả năng ra quyết định lập lịch dựa trên trạng thái kênh truyền. Tuy nhiên do WFQ có một số ƣu điểm rất cơ bản nhƣ đảm bảo chất lƣợng dịch vụ, giới hạn trễ nên đã có nhiều công trình phát triển WFQ trong mạng không dây.
Thuật toán E-WFQ [23]
Trong phần này, chúng tôi đƣa ra thuật toán Enhanced WFQ (E-WFQ) để khắc phục các nhƣợc điểm đã kể ở trên. E-WFQ đƣợc thiết kế để có thể hoạt động đƣợc trong môi trƣờng OFDMA-TDD mà vẫn giữ đƣợc các ƣu điểm cơ bản của WFQ thông thƣờng nhƣ đảm bảo tính công bằng, băng thông và chất lƣợng dịch vụ. Bảng 4.2 mô tả một số ký hiệu đƣợc sử dụng trong thuật toán.
Bảng 4.2 Các ký hiệu sử dụng trong thuật toán E-WFQ
Ký hiệu Ý nghĩa
M Số kênh con (subchannel) trong một khung đƣờng xuống (Downlink subframe)
N Số kỹ hiệu OFDM( OFDM symbol) trong một khung đƣờng xuống
B Tập hợp tất cả các luồng có dữ liệu nằm đợi ở hàng đầu ra (Back loggedd sesion
(j) Tập hợp các luồng đƣợc khối lập lịch lựa chọn đểgửi dữ liệu tại khung đƣờng xuống thứ j; (j) B
Luồng đƣợc chọn để gửi dữ liệu; (j)
Fk i Nhãn thời gian kết thúc ảo của SDU thứ k của luồng thứ i
L Độ dài của SDU trả về từ hàm length(i)
length(j) Hàm lấy độ dài của SDU j
head(i) Hàm lấy SDU nằm đầu hàng đợi (head-of-line) của luồng i
dequeue_to_obuffer(i) Gửi gói đầu hàng đợi của luồng i vào bộ đệm phát
W( j) Tổng số khe (slot) hệ thống đã dành cho luồng thứ i cho đến khung thứ j.
W(j) Sốkhe còn trống trong khung đƣờng xuống thứ j; W(j) ≤ M xN
w (j) Số khe dự kiến dành cho luồng ω tại khe j
i i
Mục tiêu của E-WFQ là tại khung đƣờng xuống thứj, phải chọn ra đƣợc một tập hợp Ω(j)∈ΩB các luồng dữ liệu có SDU đƣợc đóng gói vào khung đƣờng xuống.
Thuật toán E-WFQ đƣợc trình bày nhƣ sau (Bảng 4.3): 1. W(j) = M xN /*Số khe trống của khung j là m.n*/ 2. While W(j) >0 do
3. = arg, min{Fk , i B}/*chọn luồng có Fk nhỏ nhất
4. L=lenght(head( )) /*Lấy độ dài của SDU nằm ở đầu hàng đợi của luồng ω*/ 5. dequeue_to_obuffer(i) /*Gửi SDU nằm đầu hàng đợi của luồng ω ra bộ đệm
phát*/ 6. w( )(j) =
L W ( j) ; /*Ƣớc lƣợng số slot cần phải dành cho SDU của luồng ω tại khe j*/
B ( j)
7. (j) = (j) ; /*Cập nhật ω vào tập hợp Ω(j) */
8. W(j) = W(j) - w( ) /*Ƣớc lƣợng sốkhe trống còn lại trong khung j*/
Trong thuật toán trên, có nhận xét rằng E-WFQ vẫn hoạt động trong miền thời gian. Tại khung đƣờng xuống thứ j, do đã biết Trƣớc số khe trống đƣợc sử dụng để truyền SDU từ các luồng khác nhau, E-WFQ thực hiện các bƣớc sau:
− Chọn luồng ω sẽ đƣợc gửi trong khung thứ j theo thuật toán WFQ (thỏa mãn các yêu cầu về băng thông, QoS và tính công bằng).
− Lấy SDU nằm đầu hàng đợi luồng ω và chuyển vào bộ đệm phát.
− Ƣớc lƣợng số khe w ( j) mà SDU này sẽ chiếm trong khung thứ j dựa vào lƣợng bit và số khe mà luồng này chiếm trong các khung Trƣớc:
w j L W ( j) ;
B ( j)
Việc lựa chọn này sẽ chấm dứt khi số khe ƣớc lƣợng ) (j W bằng 0. Chú ý rằng trong thực tế, số khe thực chất còn lại khi truyền đi dữ liệu của ) (j Ω luồng có thể thừa hoặc thiếu. Thuật toán tối ƣu hóa tài nguyên vô tuyến sẽ có nhiệm vụ cân đối lại các khe thừa hoặc thiếu này.
4.5.5.7 Thuật toán tôi ƣu hóa tài nguyên vô tuyến OFDMA-TDD (time-frequency burst mapping algorithm – TF-BMA) [23] (time-frequency burst mapping algorithm – TF-BMA) [23]
Trong phần này chúng tôi sẽ tập trung vào một thuật toán sắp xếp dữ liệu theo hai chiều thời gian – tần số (time-frequency burst mapping algorithm – TF-BMA)
Chúng tôi giả thiết rằng trạm gốc BS nắm đƣợc trạng thái kênh truyền của tất cả các MS nằm trong vùng quản lý của nó. Trong WiMAX, việc này là khả thi do IEEE802.26 cho phép các MS có thể gửi về BS các thông tin về chất lƣợng kênh truyền (Channel Quality Feedback – CQI) khi có yêu cầu.
Bảng 4.3. Các ký hiệu đƣợc sử dụng trong mô hình toán học [23]
Kí hiệu Ý nghĩa
S={s1,...sM} Tập hợp các kênh con trongg khung OFDMA-TDD đƣờng xuống T={t1,...tN } Tập hợp các ký hiệu OFDM (OFDM symbol) trong một khung đƣờng
xuống
B Tập hợp tất cả các luồng có dữ liệu nằm đợi ở hàng đợi đầu ra (black logged sesion)
(j)={ 1,... K} Tập hợp các luồng đƣợc khối lập lịch chọn để gửi dữ liệu tại khung đƣờng xuống thứ j;
bk,m,n(j) Số bít mà luồng thứ k có thể gửi đƣợc luồng đó chiếm khe tại kênh con m và ký hiệu OFDM thứ n tại khung đƣờng xuống thứ j
Lk(j) Chiều dài của SUD luồng thứ k trong khung đƣờng xuống thứ j
LkT(j) Số bít đã truyền của luồng k cho tới thời điểm ký tự OFDM T của khung j
m
(j) Số khe còn trống tại kênh con m, khung đƣờng xuống j
km(j) Số khe cần phải cấp phát cho luồng k tại kênh con m, khung đƣờng xuống j
k(j) Tổng số khe đƣợc cấp phát cho luồng k tại tất cả các kênh con khác nhau.
Miền tần số (kênh com)
Miền thời gian (ký tự OFDM)
Hình 4.19 Sắp xếp các khối dữ liệu vào các kênh con lần lƣợt từ trên xuống dƣới Nhƣ vậy bộ lập lịch có nhiều đầu vào và đầu ra, nhƣng quan trong nhất của đầu vào khi xét trong luận văn này là hồi âm của UE về eNodeB, thông số CQI, để eNodeB biết đƣợc chất lƣợng kênh truyền mà cấp phát tài nguyên nhằm đảm bảo chất lƣợng kênh truyền thể hiện ở thông số SINR, BLER dƣới 0.1. Tài nguyên cấp phát bao gồm
số RB cấp cho mỗi UE theo thuật toán lập lịch, công suất phát, mã hóa và điều chế theo bảng tham chiếu MCS. Thuật toán lập lịch lặp lại trong khoảng mỗi TTI là 1 ms. Trong nội dung luận văn cũng đã lập ra thuật toán lập lịch cho các kỹ thuật lập lịch làm cơ sở mô phỏng.
Việc đánh giá hiệu quả một thuật toán lập lịch dựa vào nhiều yếu tố mà thuật toán đó đem lại cho hệ thống và ngƣời dùng nhƣ thông lƣợng, chất lƣợng dịch vụ, độ phức tạp…Tuy nhiên, trong nội dung luận văn không thể đánh giá hết đƣợc các thông số mà chỉ tập trung vào các thông số theo đánh giá là quan trọng là thông lƣợng, tỉ lệ lỗi BLER.
Nhƣ chúng ta biết, mục đích chính khi nâng cấp từ UMTS lên hệ thống LTE là nâng cao thông lƣợng hệ thống và ngƣời dùng. Vì thế việc cấp phát tối ƣu thông lƣợng này là rất quan trọng. Khi thông lƣợng hệ thống cao thì sẽ không lo nhiều vấn đề trễ gói hay độ dao động trễ nữa. Bên cạnh đó, việc cấp phát tài nguyên nhiều nhƣng đảm bảo ít lỗi cũng rất quan trọng.
4.6 . Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng. [11], [17], [18], [19], [23]
Phần này điều tra các hoạt động của liên kết LTE mô phỏng cấp độ về thông cho các kịch bản khác nhau (chƣơngtrình lập lịch trình khác nhau, khác nhau hệ