4.5.2.2. Tại sao phải quản lý tài nguyên vơ tuyến?
Tài nguyên vơ tuyến là bề rộng phổ cho phép của kênh truyền vơ tuyến đƣợc sử dụng để truyền thơng tin [23]. Vấn đề của quản lý tài nguyên vơ tuyến là làm sao với một băng tần cố định cho trƣớc của kênh truyền, hệ thống cĩ thể truyền dữ liệu với dung lƣợng cao nhất và với chất lƣợng truyền dữ liệu tốt nhất. Ngƣời ta nĩi hệ thống cĩ hiệu suất sử dụng phổ tín hiệu càng cao khi hệ thống cĩ chất lƣợng và tốc độ truyền số liệu càng lớn.
Quản lý tài nguyên vơ tuyến (RRM - Radio Resource Management) là một trong những vấn đề thách thức nhất và quan trọng nhất của các mạng thơng tin vơ tuyến hiện đại. Một kỹ thuật quản lý tài nguyên vơ tuyến hiệu quả và thơng minh cĩ thể cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống. Thực chất RRM là một bài tốn ràng
CINR PF FRS Cb băng thơng Cb tài nguyên Lƣu lƣợng WFQ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
buộc tối ƣu hĩa cĩ tính chất thống kê và cĩ thể phát biểu một cách khái quát nhƣ sau: Với một cơ sở hạ tầng vơ tuyến nhất định (các ràng buộc), cần phải cấp phát tài nguyên vơ tuyến (các biến số) sao cho các tham số hoạt động (các hàm mục đích) đạt đƣợc giá trị tối đa hoặc tối thiểu. Ở đây cơ sở hạ tầng vơ tuyến cĩ thể đƣợc hiểu là các mạng vơ tuyến hoạt động theo các chuẩn và phƣơng thức điều chế/ xử lý tín hiệu cho trƣớc (nhƣ CDMA, OFDM, OFDMA .v.v.). Tài nguyên vơ tuyến là độ rộng băng tần, số sĩng mang, số khe tần số.v.v. cịn tham số hoạt động cĩ thể là dung lƣợng kênh truyền, tốc độ bit, các tham số thể hiện chất lƣợng dịch vụ.v.v. Cần phải chú ý đến tầm quan trọng của đặc tính thống kê trong RRM bởi vì nĩ khác với hầu hết các vấn đề tối ƣu hĩa về tốn học khác. Do đĩ, khi đánh giá các hàm mục đích của RRM thì một số đo đạc mang tính chất thống kê thƣờng đƣợc sử dụng, thí dụ nhƣ kỳ vọng của số cuộc gọi bị hủy hoặc phƣơng sai của số cuộc gọi bị hủy .v.v.
4.5.2.2. Mục đích của quản lý tài nguyên vơ tuyến trong các mạng khơng dây
Trong các mạng khơng dây hiện đại, đặc biệt là các mạng khơng dây băng rộng thì băng thơng, tần số, khe thời gian, cũng nhƣ cơng suất hoạt động của hệ thống đều là những tài nguyên hữu hạn rất quan trọng và quý giá. Nhiệm vụ của các nhà phát triển là phân phối, quản lý, tối ƣu hĩa các tài nguyên này để đạt đƣợc hiệu quả sử dụng cao nhất, ít tốn kém nhất và hạn chế tối đa ảnh hƣởng của nhiễu để đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cũng nhƣ tiết kiệm cơng suất truyền cho hệ thống.
Các cơ chế RRM thơng thƣờng khá phức tạp do các mục tiêu tối ƣu trong sử dụng hiệu quả những tài nguyên hệ thống thƣờng là đối lập nhau. Đĩ là các vấn đề tối ƣu hĩa các tài nguyên (tần số, băng thơng, khe thời gian, cơng suất) của ngƣời sử dụng phải cân đối với vấn đề tối ƣu hĩa vùng phủ sĩng (coverage) và dung lƣợng hệ thống (capacity). Ngồi ra tối ƣu hĩa khả năng hỗ trợ di động phải cân đối với tối ƣu hĩa dung lƣợng.v.v. Ngồi ra các vấn đề về nhiễu trong hệ thống và giữa các hệ thống khác nhau cũng là một vấn đề lớn cần xem xét. Nhiễu trong hệ thống sẽ làm giảm đáng kể hiệu năng hoạt động, vì thế các bài tốn cấp phát tài nguyên cũng phải quan tâm đặc biệt với các vấn đề chống nhiễu nhƣ chống nhiễu trong kênh, nhiễu xuyên kênh, nhiễu đồng kênh, nhiễu đa truy cập để đảm bảo chất lƣợng hoạt động của hệ thống. Thí dụ nhƣ trong hệ thống WiMax, nếu nhà quản lý thực hiện tốt đƣợc cơng việc quản lý tài nguyên bao gồm việc cấp phát kênh con (time slots và subcarriers), điều khiển tốc độ truyền, điều khiển cơng suất thì sẽ hạn chế đƣợc các vấn đề về nhiễu xuyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
kênh và nhiễu đồng kênh (đƣờng xuống của WiMax sử dụng phƣơng thức điều chế OFDM nên tránh đƣợc các hiện tƣợng về nhiễu trong kênh).
Do đĩ, việc sử dụng phổ hiệu quả và tối ƣu cấp phát tài nguyên nằm trong nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vơ tuyến RRM là đặc biệt quan trọng đối với hiệu năng hoạt động của các mạng khơng dây hiện đại. Nếu khơng thực hiện tốt RRM thì rất cĩ thể sẽ dẫn đến các vấn đề đáng tiếc nhƣ đểtrống vùng phủ, hay chất lƣợng dịch vụ QoS khơng đƣợc đảm bảo, thiếu hoặc quá dƣ thừa tài nguyên cũng sẽ dẫn đến tình trạng bất ổn định của hệ thống. Mặt khác trong các hệ thống đa tế bào hiện nay cĩ một vấn đề đƣợc đặt ra là việc thay đổi cấp phát tài nguyên trong một vùng phủ sĩng nhất định sẽ ảnh hƣởng đến hiệu năng hoạt động của các vùng phủ sĩng khác kề bên, vì vậy cần xem xét vấn đề một cách thấu đáo, đặt trong mối liên hệ tƣơng tác qua lại của từng thành phần mạng.
4.5.2.3. Một số giải pháp cho quản lý tài nguyên vơ tuyến.
Cĩ một số các giải pháp khác nhau cho vấn đề RRM trong các mạng khơng dây hiện nay. Chúng ta cĩ thể tạm chia các mơ hình giải pháp đĩ ra làm hai nhĩm là nhĩm các cơ chế RRM tĩnh (fixed design) và nhĩm các thuật tốn RRM động (dynamic RRM algorithms). Trong một mơ hình RRM tĩnh, các quyết định quản lý tài nguyên đƣợc thực hiện chỉ một lần, thƣờng là trƣớc khi hệ thống đƣợc triển khai. Một khi quyết định này đƣợc đƣa ra, để thay đổi phạm vi và cách thức hoạt động thì khơng thể tái cấp phát lại tài nguyên hệ thống mà bắt buộc phải dừng hoạt động của hệ thống và tiếp tục đƣa ra một quyết định khác.
Nếu các mạng khơng dây là tĩnh và xác định (derterministic) thì các thiết kế và cấp phát tĩnh là đủ để sử dụng. Tuy nhiên, một đặc điểm quan trọng và cố hữu của mạng khơng dây đĩ là tính di động và phân phối tải nên mọi giả thiết xem xét trong thiết kế và cấp phát tĩnh sẽ thay đổi liên tục trong khi hệ thống hoạt động.
Nĩi cách khác, tất cả quyết định cấp phát là cĩ xu hƣớng thay đổi trong các mạng vơ tuyến thực tế. Do đĩ ở đây mơ hình tĩnh khơng cịn thích hợp nữa, thay vào đĩ nếu ta thực hiện đáp ứng các thay đổi trên thì cĩ thể cải thiện đáng kểhiệu năng của các mạng vơ tuyến. Đối với các thuật tốn RRM động sẽ cĩ hai cách tiếp cận cơ bản tới RRM động đĩ là các thuật tốn RRM động tập trung và các thuật tốn RRM động phân tán.
- Trong RRM tập trung, quyền quản lý tập trung về một điểm (nhƣ một trạm gốc BS trong mạng), điểm đĩ sẽ thu thập thơng tin từ các nút mạng khác, tính tốn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
thay đổi trong cấp phát tài nguyên và thơng báo lại sự thay đổi đĩ cho tồn thể các nút mạng khác.
- Trong RRM phân tán, mỗi một thành phần mạng (các nút mạng) đều thu thập các thơng tin và tự điều chỉnh thay đổi các chiến lƣợc cấp phát tài nguyên. Chú ý rằng các thuật tốn RRM động phân tán thƣờng ít xảy ra quá tải hơn các thuật tốn RRM động tập trung. Tuy nhiên trong hoạt động của các thuật tốn phân tán, khĩ cĩ thể dự đốn riêng rẽ từng hành động thay đổi độc lập của từng nút mạng, do đĩ sự thay đổi của nút mạng này cĩ thể gây ảnh hƣởng tới hoạt động của nút mạng khác. Bởi vậy trƣớc khi áp dụng các thuật tốn phân tán vào thực tế thì ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp mơ phỏng trên máy tính để phân tính hoạt động của mạng trƣớc.
Hơn nữa, nếu khơng đạt đến một trạng thái hội tụ ổn định, băng thơng của hệ thống sẽ đƣợc cấp phát khơng hiệu quả bởi sự quá tải của các bản tin báo hiệu về sự thay đổi diễn ra trong quản lý và cấp phát tài nguyên. Nhìn chung trong các mơ hình đa di động, những ngƣời dùng riêng lẻ khĩ mà biết đƣợc các điều kiện kênh truyền của những ngƣời dùng khác trong những vùng phủ sĩng khác. Do đĩ, các MS trong những vùng phủ sĩng khác nhau khơng thể cùng vận hành hiệu quả với nhau, tất cả đều cố gắng tối đa hĩa hiệu năng sử dụng kênh của mình mà khơng quan tâm đến hoạt động của những ngƣời khác trong một mơ hình phân tán. Từ đĩ cần phải đề xuất một giải pháp để kiểm sốt hoạt động của những ngƣời dùng, hay những nhà cung cấp khác nhau để cùng nhau vận hành, điều phối trong sử dụng và cấp phát tài nguyên để đạt đƣợc hiệu suất sử dụng cao nhất, ít nhiễu nhất, ít tốn kém nhất.
4.5.2.4. Nhiễu đồng kênh và ảnh hƣởng của nhiễu đồng kênh lên quá trình cấp phát tài nguyên vơ tuyến.
Trong các mạng OFDMA-TDD với hệ số tái sử dụng tần số100%, các phƣơng pháp phân phối tài nguyên vơ tuyến truyền thống chỉ cho hiệu năng thơng lƣợng thấp do nhiễu đồng kênh CCI (Co-Channel Interference) quá cao. Đĩ là do thơng tin về nhiễu CCI khơng đƣợc tính đến trong quá trình cấp phát kênh đƣợc thực hiện tại lớp MAC. Để minh họa vấn đề CCI, ta xét một trƣờng hợp đơn giản nhƣ trên Hình 4.8:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ Hình 4.8. Ảnh hƣởng của nhiễu đồng kênh trong mơi trƣờng multi-cell [23]
Giả thiết hệ thống gồm hai trạm gốc BS (Base Station) và ba thiết bị đầu cuối MS (Mobile Station). Ta nhận thấy khi trạm gốc BS1 đang ở chế độ phát tín hiệu (BS1TX ) đến hai thiết bị đầu cuối MS1RX và MS3RX thì đồng thời BS2RX đang nhận dữ liệu từ MS2TX
gửi đến. Nhƣ vậy, do các cặp thu/phát thực hiện trao đổi đồng thời trên một khe thời gian nên trạm gốc BS1TX ngồi tín hiệu cĩ ích cịn gây nhiễu cho trạm gốc BS2RX
đang ở chế độ thu. Tƣơng tự nhƣ vậy, MS2TX phát tín hiệu đến cho BS2RX cũng gây nhiễu cho MS1RX và MS3RX .
Cần chú ý rằng loại nhiễu này chỉ xảy ra khi hệ thống hoạt động ở chế độ TDD, chính là chế độ thƣờng gặp nhất của IEEE802.26e-2005. Để giải quyết vấn đề này, từ trƣớc đến nay đã cĩ một số giải pháp sau:
− Phƣơng pháp sử dụng lại tần số từng phần (fractional frequency reuse): trong phƣơng pháp này, các vùng phủ sĩng gần nhau sẽ đƣợc ấn định các tập hợp tần số khác nhau để tránh hiện tƣợng nhiễu đồng kênh. Phƣơng pháp này cĩ nhƣợc điểm là hệ số sử dụng lại tần số rất thấp (Hình 4.9). fi là tập các tần số đƣợc sử dụng tại vùng con thứ i f2 f3 f1 f7 f6 f5 f4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Hình 4.9: Phƣơng pháp sử dụng lại tần số từng phần (fractional frequency reuse) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
− Phƣơng pháp chia nhỏ vùng phủ sĩng(sectoring): trong phƣơng pháp này, một vùng phủ sĩng sẽ đƣợc chia nhỏ thành 6 vùng con (sector), mỗi vùng con sẽ đƣợc ấn định một tập tần số sao cho 2 tập tần số trùng nhau sẽ nằm ở hai vùng phủ sĩng khác nhau, với khoảng cách đủ lớn để khơng xảy ra CCI. Phƣơng pháp này cĩ một số nhƣợc điểm: (1) khi một thiết bị di động đi từ vùng con này sang vùng con khác trong nội bộ một vùng phủ sĩng thì nĩ cần phải thực hiện chuyển giao (intra-cell handover) và (2) cơ chế phân phối tài nguyên vơ tuyến cố định cho các vùng con sẽ hạn chế khả năng tái sử dụng tần số một cách hiệu quả, gây lãng phí tài nguyên vơ tuyến.
Hình 4.10: Phƣơng pháp chia nhỏ vùng phủ sĩng (sectoring)
4.5.2.5. Tối ƣu hĩa tài nguyên vơ tuyến trong OFDMA-TDD
Trong các mạng hữu tuyến, mỗi kết nối vật lý giữa hai nút mạng luơn cĩ dung lƣợng cố định, ngƣời sử dụng đều cĩ vai trị ngang nhau trong mạng. Điều này cĩ nghĩa là băng thơng luơn luơn tỷ lệ thuận với tài nguyên mạng dành cho ngƣời sử dụng đĩ. Trái lại, trong các mạng khơng dây, tốc độ truyền của một kết nối hoặc một ngƣời sử dụng khơng phải bao giờ cũng tỷ lệ thuận với tài nguyên dành cho kết nối hoặc ngƣời sử dụng đĩ. Nguyên nhân là trong mạng khơng dây, các nút di động MS luơn luơn chuyển động và cĩ điều kiện kênh truyền tới BS luơn luơn thay đổi (khoảng cách, tác động của các loại nhiễu .v.v.). Điều này cĩ nghĩa là với cùng một tài nguyên vơ tuyến đƣợc dành sẵn nhƣ nhau, hai MS khác nhau cĩ thể cĩ thơng lƣợng truyền dữ liệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
hồn tồn khác nhau. Việc này dẫn tới hệ quả là trong các mạng khơng dây, dung lƣợng của kênh truyền vơ tuyến (trong phạm vi một BS) khơng cố định mà luơn luơn thay đổi. Trong nhiệm vụ nghiên cứu này, chúng tơi chỉ khảo sát ảnh hƣởng của suy giảm theo khoảng cách (pathloss) và nhiễu đồng kênh lên dung lƣợng của kênh truyền vơ tuyến.
Mặt khác, khác với các kênh truyền vơ tuyến sử dụng cơ chế chia sẻ theo thời gian (TDD), kênh OFDMA-TDD cho phép một MS truyền dữ liệu đồng thời trên nhiều sĩng mang và nhiều khe thời gian. Vì vậy, để tối ƣu hĩa dung lƣợng kênh truyền cần phải cĩ một cơ chế chia sẻ tài nguyên vơ tuyến mềm dẻo trong cả hai miền là thời gian và tần số. Lấy thí dụ nhƣ trong Hình 4.11, vùng dữ liệu cần truyền của một ngƣời sử dụng Ui bất kỳ cĩ độ lớn 24 bit. Ngƣời sử dụng Ui chịu tác động của nhiễu đồng kênh trên kênh con (sub-channel) thứ 2, do đĩ tại vùng này dữliệu chỉ đƣợc điều chế QAM-16. Nhƣ vậy nếu ghép 24 bit của Ui vào các kênh con 1, 2, 3 thì cần tổng cộng 6 khe (slot) tài nguyên. Mặt khác, nếu ghép dữ liệu ui vào kênh con 5, 6 khơng bị nhiễu đồng kênh, dữliệu cĩ thể đƣợc điều chế QAM-64, trong trƣờng hợp này chỉcần 4 khe tài nguyên vơ tuyến. Từ đĩ ta cĩ thể kết luận một cơ chế điều khiển và chia sẻ tài nguyên vơ tuyến mềm dẻo và thơng minh trong OFDMA sẽ làm tăng dung lƣợng kênh truyền vơ tuyến.
1
2
3
4
5
Hình 4.11: Ghép dữ liệu của ngƣời sử dụng Ui vào khung OFDMA
4.5.2.6. Các phƣơng thức của việc quản lý tài nguyên vơ tuyến 1. Lập lịch cho gĩi (Packet Scheduling - PS)
Chức năng của lập lịch: QAM-16 QAM-64 Frame time Sub-channel CCI
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Xác định các tài nguyên vơ tuyến cĩ thể dùng cho dịch vụ mạng khơng phải thời gian thực. (Non-real-time Radio Bearer – NRT RB)
Chia sẻ tài nguyên vơ tuyến cĩ thể dùng giữa các NRT RB. Giám sát việc phân bổ tài nguyên cho các NRT RB.
Khởi tạo việc thay đổi loại kênh truyền giữa phổ biến, chia sẻ hay kênh dành riêng khi cần thiết.
Giám sát tải hệ thống.
Thực hiện các hành động kiểm sốt tải cho RNT RB khi cần thiết.
2. Điều khiển cơng suất (Power Control – PC)
Trong hệ thống LTE chức năng Power Control đƣợc quản lý bởi eNodeB. Mục đích chính của PC:
Đảm bảo chất lƣợng dịch vụ Giảm nhiễu
Giảm cơng suất tiêu thụ
Nâng cao năng lực và vùng phủ sĩng
* Các loại điều khiển cơng suất:
Cơng suất cố định
Điều khiển cơng suất vịng hở Điều khiển cơng suất vịng kín
Điều khiển cơng suất trong hệ thống LTE cũng là định hƣớng kênh. Cơng suất truyền tải của kênh đƣợc điều khiển bởi hai bƣớc: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điều khiển cơng suất vịng hở: hoạt động ở giai đoạn thiết lập ban đầu của một liên kết vơ tuyến. Nĩ sẽ tính tốn cơng suất truyền tải ban đầu.
Điểu khiển cơng suất vịng kín: hoạt động sau giai đoạn liên kết vơ tuyến. Nĩ sẽ tự động điều chỉnh cơng suất truyền tải trong thời gian thực.
3. Chuyển giao (Handover)
Chuyển giao là chức năng cơ bản của hệ thống di động, là sự chuyển kết nối vơ tuyến giữa UE với một cell sang một cell khác. Trong hệ thống LTE, chuyển giao cịn thực hiện một số chức năng khác, ví dụ nhƣ để cân bằng tải, để cân bằng dịch vụ khác trong tế bào, để nâng cao việc sử dụng mạng, và tối ƣu hĩa hiệu suất mạng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/
Khi ngƣời sử dụng dịch vụ di chuyển, chuyển giao đƣợc tiến hành dựa trên vùng