1. Đánh giá hiệu nă ng
1.1. Giới thiệu chung
Mô phỏng hệ thống thông tin di động bằng máy tính là một hướng được nhiều nhà nghiên cứu lựa chọn để đánh giá hiệu năng hệ thống. Tuy nhiên để có giá trị hiệu năng thực tế phải được đo và đánh giá tại hiện trường cho hệ thống đã triển khai cụ thể. Tuy nhiên bằng công cụ mô phỏng cũng có các ưu điểm như:
+ Có thể thực hiện ước tính các khái niệm hệ thống chưa được triển khai hoặc đang trong quá trình triển khai như LTE.
+ Kiểm soát hoàn toàn môi trường bao gồm các thông số truyền sóng, lưu lượng, cấu trúc hệ thống… và có khả năng theo dõi đầy đủ tất cả các thông số ảnh hưởng lên kết quả.
+ Có thể thực hiện thí nghiệm được điều khiển tốt để so sánh các khái niệm hệ thống tương tự hoặc các bộ phận của các khái niệm trong các điều kiện lặp lại nhiều lần.
Tuy có những ưu điểm trên nhưng các kết quả mô phỏng không cho được bức tranh đầy đủ và chính xác về hệ thống hiệu năng.
Rất khó đánh giá dung lượng hệ thống nếu không so sánh, vì mọi con số về dung lượng tự nó không cung cấp nhiều thông tin chỉ khi thiết lập quan hệ với hiệu năng của các hệ thống khác nhau, con số này mới trở nên đáng quan tâm. Nhưng vì so sánh là một phần quan trọng của đánh giá hiệu năng, nên các con số này cũng trở thành vấn đề tranh cãi do hiệu năng phụ thuộc vào quá nhiều thông số, nếu không chọn hợp lý các thông số để đưa ra các điều kiện có thể so sánh cho hai hệ thống, thì cũng không thể đưa ra kết luận được.
Trong điều kiện này, cần lưu ý là hiệu năng hệ thống và dung lượng sẽ là tính năng phụ thuộc. Nhiều tính năng chẳng hạn như MIMO và các kỹ thuật anten tiên tiến được đưa vào các hệ thống 3G rất giống nhau giữa các hệ thống. Nếu một tính năng nào đó là tùy chọn khả thi với nhiều hệ thống thì cần đưa tính năng này vào đánh
103
giá trong mọi hệ thống mọi con số hiệu năng được đánh giá phải được xem xét trong điều kiện là hiệu năng mạng vô tuyến thực tế sẽ phụ thuộc vào nhiều thông số và có kiểm soát như:
+ Môi trường di động gồm các điều kiện kênh, trải góc, kiểu cụm, tốc độ di chuyển, sử dụng trong nhà ngoài trời,…
+ Hành vi liên quan đến người sử dụng như: Tích cực tiếng, phân bố lưu lượng và phân bố dịch vụ.
+ Điều chỉnh chất lượng dịch vụ và chất lượng mạng của hệ thống. + Các khía cạnh triển khai: kiểu đài trạm, chiều cao anten,…
+ Một số thông số thường không được lập mô hình như: dung lượng, hiệu năng báo hiệu, chất lượng đo,...
Thực tế không tồn tại tiêu chuẩn đánh giá vạn năng cho một hệ thống thông tin. Giữa người sử dụng và nhà khai thác mạng định nghĩa hiệu năng tốt hoàn toàn khác nhau, chẳng hạn, người sử dụng đầu cuối muốn nhận được mức chất lượng cao nhất có thể, trái lại nhà khai thác muốn đạt được lợi nhuận cao nhất nên ép nhiều người sử dụng vào hệ thống càng tốt.
Các tính năng tăng cường hiệu năng có thể cải thiện chất lượng dịch vụ cảm nhận (từ quan điểm người sử dụng) hay hiệu năng hệ thống (từ quan điểm nhà khai thác). HSPA và LTE đều có tiềm năng làm được cả hai điều này. So với phát hành WCDMA trước đây, các bước phát triển này cho tốc độ số liệu tốt hơn và trễ nhỏ hơn. Vì thế chúng có thể cải thiện đáng kể cả trải nghiệm dịch vụ (từ quan điểm người sử dụng) và dung lượng hệ thống (từ quan điểm nhà khai thác)
1.2. Hiệu năng từ góc độ người sử dụng.
Những người sử dụng dịch vụ chuyển mạch kênh được đảm bảo tốc độ số liệu cố định. Chất lượng dịch vụ trong ngữ cảnh các dịch vụ thoại có hình được định nghĩa bởi chất lượng tiếng và hình theo thụ cảm.
Nhưng người sử dụng web, tải xuống một trang web hay một video clip lại trải nghiệm thời gian mà họ bắt đầu tải đến khi mà trang web này hay video clip được hiển thị. Các dịch vụ nỗ lực nhất không đảm bảo tốc độ số liệu cố định mà trái lại
104
người sử dụng chỉ được ấn định tài nguyên khi có tốc độ số liệu khả dụng trong các điều kiện hiện tại. Đây chính là đặc tính chung của các mạng chuyển mạch gói, các tài nguyên không được dành trước cho bất kỳ người sử dụng nào. Giả sử rằng trễ tăng cùng với kích thước của đối tượng cần tải xuống, trễ tuyệt đối sẽ không phải là số đo chất lượng tốt. Một người sử dụng duy nhất trong một mạng vô tuyến có các điều kiện kênh vô tuyến tốt có thể được sử dụng tốc độ số liệu đỉnh, như H.4.1.
H.4.1: Luồng dữ liệu thông tin
Chú ý:
+ Tốc độ số liệu giao diện vô tuyến: tốc độ số liệu lớp vật lý đạt được trong các điều kiện vô tuyến nhất định với mã hóa và biến đặc thù.
+ Tốc độ số liệu đỉnh: tốc độ số liệu đỉnh của một giao diện vô tuyến trong các điều kiện vô tuyến lý tưởng.
+ Thông thường người sử dụng: tốc độ số liệu nhận được bên trên lớp MAC trong các điều kiện kênh thực tế và sau khi chia sẻ kênh với các người sử dụng khác. + Trễ vòng: thời gian truyền vòng đầu cuối đến đầu cuối của một gói nhỏ.
+ Thông lượng hệ thống: Tổng số bit được phát trong 1s trên giao diện vô tuyến (trên một đoạn ô).
H.1 định nghĩa các thông số hiệu năng thông thường người sử dụng này chia sẻ tài nguyên với các người sử dụng khác. Nếu các điều kiện vô tuyến kém hơn tối ưu, sẽ
105
có nhiễu từ các người sử dụng khác, tốc độ số liệu của giao diện vô tuyến sẽ thấp hơn tốc độ số liệu đỉnh. Ngoài ra, một số gói có thể bị mất và trong trường hợp này số liệu bị mất phải được phát lại vì thế tốc độ số liệu hiệu dụng lại bị giảm hơn nữa (nhìn từ các lớp cao hơn). Ngoài ra tốc độ số liệu hiệu dụng thậm chí giảm nữa khi khoảng cách từ đầu cuối đến trạm gốc tăng (do các điều kiện truyền dẫn xấu hơn tại biên ô). Tốc độ số liệu đạt được trên lớp MAC sau khi đã chia sẻ kênh với các người sử dụng khác được gọi là “thông lượng người sử dụng.
Giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP: giao thức tại lớp truyền tải) là giao thức thường được sử dụng cùng với lưu lượng IP. Tuy nhiên do giải thuật khởi đầu chậm nhạy cảm với trễ mạng nên nó gây ra trễ đối với các file nhỏ. Giải thuật khởi đầu chậm đảm bảo rằng tốc độ truyền dẫn từ nguồn không vượt quá khả năng của các nút và các giao diện mạng.
Trễ vòng mạng là thời gian cần thiết để một gói truyền từ client đến server và quay ngược lại. Trễ này ảnh hưởng trực tiếp lên hiệu năng liên quan đến TCP. Vì thế mục tiêu thiết kế quan trọng trong cả HSPA và LTE là giảm trễ vòng mạng. Một tiêu chuẩn khác liên quan đến chất lượng (xét từ góc độ người sử dụng) thiết lập để khởi đầu, chẳng hạn phiên trình duyệt web.
1.3. Hiệu năng từ góc độ nhà khai thác:
Tài nguyên vô tuyến phải được chia sẻ giữa nhiều người sử dụng trong mạng, vì thế tất cả số liệu phải được xếp hàng trước khi có thể được truyền và điều này hạn chế tốc độ số liệu hiệu dụng của từng người sử dụng. Bằng lập biểu, nhà khai thác có thể cải thiện thông lượng hệ thống hay tổng số các bit/s được phát trên giao diện vô tuyến. Một số đo phổ biến của hiệu năng hệ thống là “hiệu suất phổ tần”, đây là thông lượng hệ thống/ MHZ phổ trong từng đoạn ô của hệ thống.
Cả HSPA và LTE đều sử dụng các phương pháp lập biểu thông minh để tối ưu hóa hiệu năng (từ quan điểm người sử dụng và từ quan điểm khai thác mạng)
Một tiêu chuẩn đánh giá quan trọng đối với nhà khai thác là số lượng các người sử dụng tích cực có thể được kết hợp đồng thời. Nếu các tài nguyên hệ thống bị hạn
106
chế thì cần cân đối giữa số lượng người sử dụng tích cực và chất lượng dịch vụ cảm nhận (thông lượng người sử dụng)
1.4. Cấu hình và các tiêu chí thực hiện mô phỏng đểđánh giá
Phần này chủ yếu sẽ xét đánh giá các yêu cầu về hiệu suất sử dụng phổ tần và thông lượng cho các công nghệ đa truy nhập HSPA và LTE. Đánh giá được thực hiện cho các chế độ hoạt động trong các băng tần rộng đến 20 MHZ.
+ Đánh giá được thực hiện trên mô hình tham chuẩn:
Các đánh giá ban đầu được thực hiện trên mô hình tham chuẩn sau: WCDMA R6.
Một anten phát tại NodeB Hai anten thu tại UE Máy thu RAKE Băng thông 5 MHZ + Các kết quả đánh giá:
Các kết quả được chuẩn hóa theo bit/s/Hz. Các đánh giá được thực hiện dựa trên mô phỏng cho các trường hợp được cho trên bảng 1 với các cột:
CF (Carrier Frequency): Tần số sóng mang ISD (Inter-site Distance): Băng thông Ploss (Penetration loss): Suy hao thâm nhập Speed: Tốc độ
Bảng 5: Tập các trường hợp tối thiểu mô phỏng WCDMA/HSPA và LTE
Mô phỏng CF ISD BW Ploss Speed
Trường hợp (GHz) (m) (MHz) (dB) (km/h)
1 2,0 500 10 20 3 2 2,0 500 10 10 30
3 2,0 1732 10 20 3
4 0,9 1000 1,25 10 3
+ Các thông số tham khảo để mô phỏng hệ thống ô vĩ mô
107
Bảng 6: Các thông số tham khảo để mô phỏng hệ thống ô vĩ mô.
Thông số Giả thiết
Mô hình tổ ong Lục giác đều, 19 điểm đặt trạm, 3 đoạn ô trên một trạm
Khoảng cách giữa các trạm Inter-site
distance Xem bảng 5
Tổn hao đường truyền phụ thuộc khoảng các
L=I+37,6 lg (R), R (km)
I=128,1 – 2GHz, I = 120,9 – 900MHz hoặc 35,5 cho mô phỏng tĩnh
Che tối chuẩn log Tương tự như UMTS 30.03, B1.4.1.4
Dịch chuẩn che tối 8 dB
Khoảng cách tương quan của che tối 50m (xem D.4 trong UMTS 30.03) Giữa các ô 0,5
Tương quang che tối
Giữa các đoạn ô 1,0
Tổn hao thâm nhập Xem bảng 5
Mẫu phát xạ anten (mặt nằm ngang) (Đối với ô 3 đoạn với mẫu anten cốđịnh) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = m dB A A( ) 12 , 2 3 θ θ θ dB 3 θ = 70 độ, Am = 20 dB Tần số sóng mang/ Băng thông Xem bảng 5
Mô hình kênh Đô thịđiển hình (TU) hoặc mô hình kênh không gian (SCM)
Tốc độ UE cần xét 3km/h, 30km/h, 120km/h, 350km/h, (0km/h cho mô phỏng tĩnh)
Tổng công suất máy phát BS 43dB (20W) – sóng mang 1,25; 5 MHz, 46dBm – sóng mang 10MHz
Loại công suất UE 21dBm (125mW), 24dBm (250mW)
Mô hình nhiễu giữa các ô
UL: Mô hình tường minh (tất cả các ô đều bị chiếm bởi các UE)
DL: Mô hình tường minh công suất ô = Ptotal
108
2. Đánh giá hiệu năng của phát
2.1 Mởđầu:
Triển 3G và LTE trên mô hình tĩnh. Rất khó đánh giá một hệ thống hoạt động tốt như thế nào nếu không có so sánh. Đánh giá cần bao gồm cả WCDMA/HSPA R6 sẽ được dùng làm tham chuẩn để so sánh. Ta sẽ trình bày đánh giá so sánh ba hệ thống nói trên.
Đánh giá đã được xây dựng trên các mô hình tĩnh (đầu cuối không di động) và mô phỏng động (đầu cuối di động).
Ta chú ý rằng, ở đây sẽ đánh giá dựa trên các kết quả mô phỏng tĩnh các giá trị hiệu năng cho hệ thống R6 tham chuẩn, hệ thống HSPA phát triển và cho LTE. Hệ thống HSPA phát triển có các máy thu tiên tiến, DL với 2x2 MIMO và UL với 16 QAM. Các kết quả tổng hợp sẽ cho phép đánh giá tương đối độ lợi liên quan đến OFDM và MIMO, vì các tính năng khác đối với hệ thống LTE dựa trên OFDM và hệ thống HSPA tiên tiến rất giống nhau.
2.2 Các mô hình và các giả thiết
Ở phần này sẽ giới thiệu các mô hình và các giả thiết được sử dụng để đánh giá hiệu năng.
Các mô hình và các giả thiết được phân nhóm theo lưu lượng, mạng vô tuyến và các mô hình hệ thống được xét ở trên
Ba hệ thống khác nhau được nghiên cứu gồm:
+ Hệ thống chuẩn WCDMA R6 được mô tả trong 3GPP sử dụng truyền dẫn đơn nguồn và máy thu dựa trên RAKE tham chuẩn
+ Hệ thống HSPA phát triển có máy thu tiên tiến hơn, 2x2 MIMO cho DL và 16 QAM cho UL.
+ Hệ thống LTE được lập cấu hình theo yêu cầu 3GPP, 2x2 MIMO cho DL. Các mô hình và giả thiết được cho trên bảng 3
Bảng 7: Các mô hình và giả thiết cho đánh giá
Các mô hình lưu lượng
Phân bố người sử dụng Đều, trung bình 10 người trên một ô
109
Tạo số liệu Tắt bật với thừa số tích cực 5%, 10%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%
Các mô hình mạng vô tuyến
Suy hao theo khoảng cách L= 35,5+37,6 x log(R), R được đo bằng m Phading che tối Chuẩn log, lệch chuẩn 8dB
Phading đa đường 3GPP đô thịđiển hình và người đi bộ A
Sơđồ Ô Lưới lục giác đều, mỗi trạm 3 đoạn ô, tổng 57 đoạn ô
Bán kính ô 167m, khoảng cách giữa các ô 500m
Các mô hình hệ thống
Ấn định phổ 5MHz cho DL, 5MHz cho UL (FDD)
Công suất đầu ra trạm gốc và UE 20W và 125mW vào anten
Độ lợi anten cực đại 15dBi
Các sơđồđiều chế và mã hóa QPSK và 16QAM, mã hóa turbo theo WCDMA R6. Chỉ sử dụng QPSK cho WCDMA đường lên
Lập biểu Quay vòng theo thời gian
Các đặc tính cơ sở của WCDMA
Sơđồ phát Một luồng trên DL và UL Máy thu
Phân tập anten hai nhánh với máy thu RAKE, kết hợp tỷ lệ cực đại tất cả các nhánh kênh, hệ số tạp âm 9dB trong UE, 5dB trong NodeB
Các đặc tính WCDMA tiên tiến
Sơđồ phát DL: 2 luồng PARC
UL: một luồng Máy thu
DL: GRAKE với loại nhiễu lần lượt
UL: GRAKE với phân tập thu hai nhánh, chuyển giao mềm với kết hợp lựa chọn giữa các trạm
Các đặc tính LTE
Sơđồ truyền dẫn DL: 2 luồng PARC UL: luồng đơn
110
UL: MMSE với phân tập thu hai nhánh, chuyển giao mềm với kết hợp chọn lọc giữa các ô
Để đơn giản, nhiều khía cạnh giao thức phía trên lớp vật lý của mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người sử dụng đã không xét đến trong mô hình này vì thế các kết quả nhận được rất khả quan, đối với LTE, thích ứng miền tần số và các cải thiện lớp cao không được xét.
Phương pháp mô phỏng “tĩnh” trong đó các đầu cuối di động được phân bố mềm cho nên trên mạng vô tuyến và kênh vô tuyến giữa cặp anten trạm gốc và UE được tính toán theo các mô hình truyền sóng và phading.
Các giá trị thống kê được ghi lại sau đó các đầu cuối di động mới được phân bố ngẫu nhiên cho bước tiếp theo. Các mức tải hệ thống khác nhau được mô phỏng bằng cách thiết lập tích cực ngẫu nhiên cho từng trạm gốc từ 5% đến 100%, lập biểu miền thời gian không phụ thuộc kênh được sử dụng, tương ứng với lập biểu quay vòng.
Các chú ý:
+ Tỷ số tín hiệu trên nhiều công tạp âm (SINR) được tính toán cho từng anten thu của UE (hay trạm gốc) dựa trên các thực hiện kênh (các mẫu kênh) và các nguồn nhiễu tích cực. Sau đó các giá trị SINR được chuyển đổi thành tốc độ số liệu đường truyền vô tuyến tích cực Ru cho người sử dụng u khi người này lập biểu. trong trường hợp MIMO, Ru được lập mô hình như là tổng các tốc độ số liệu đạt được trên một luồng MIMO. Tốc độ đạt được ở phía trên lớp MAC (sau khi chia sẽ kênh với các người sử dụng khác) được biểu thị là thông lượng Su và được tính toán dựa trên thừa số tích cực. Các trạm gốc tích cực và các người sử dụng tích cực khác nhau giữa các lần lặp và các giá trị thống kê này được thu thập trên một số lượng lặp lớn.
+ Lưu lượng được phục vụ trên một đoạn ô T được tính toán như là tổng các tốc độ số liệu của đường truyền vô tuyến tích cực cho các người sử dụng tích cực trong