Một trong các đặc tính quan trọng của thông tin vô tuyến di động là sự thay đổi nhanh và lớn của các điều kiện kênh tức thời. Tồn tại một số nguyên nhân đối với các thay đổi này. Phađinh chọn lọc tần số dẫn đến các thay đổi nhanh và ngẫu nhiên đối với suy hao đường truyền. Phađinh che tối và tổn hao đường truyền phụ thuộc khoảng cách cũng ảnh hưởng đáng kể lên cường độ tín hiệu thu. Cuối cùng, nhiễu tại máy thu do truyền dẫn từ các ô khác và các đầu cuối di động khác cũng ảnh hưởng lên mức nhiễu. Tóm lại có nhiều thay đổi nhanh và ngẫu nhiên trong chất lượng của từng đường truyền vô tuyển trong một ô và các thay đổi này cần được xem xét và khai thác một cách có lợi.
Lập biểu phụ thuộc kênh trong các hệ thống thông tin di động giải quyết vấn đề về cách thức chia sẽ các tài nguyên vô tuyến giữa các người sử dụng (các đầu cuối di động) khác nhau trong hệ thống để đạt được hiệu suất sử dụng tài nguyên tốt nhất. Điều này có nghĩa là giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho một người sử dụng vì thế cho phép nhiều người sử dụng hơn trong hệ thống trong khi vẫn đáp ứng được các yêu cầu chất lượng dịch vụ. Liên quan mật thiết với lập biểu là thích ứng đường truyền. Thích ứng đường truyền giải quyết vấn đề liên quan đến cách thiết lập các thông số truyền dẫn của đường truyền vô tuyến để sử lý các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến.
Cả hai lập biểu phụ thuộc kênh và thích ứng đường truyền đều nhằm khai thác tốt nhất các thay đổi kênh thông qua các quá trình xử lý thích hợp trước khi truyền dẫn số liệu. Tuy nhiên do tính chất ngẫu nhiên của các thay đổi chất lượng đường truyền vô tuyến, không bao giờ có thể đạt được thích ứng chất lượng kênh vô tuyến tức thời một cách hoàn hảo. HARQ (Hybrid ARQ: ARQ lai ghép) vì thế rất hữu ích. HARQ đòi hỏi phát lại các gói thu bị lỗi. Có thể coi đây như là một cơ chế xử lý chất lượng kênh vô tuyến tức thời sau truyền dẫn và bổ sung rất tốt cho lập biểu phụ thuộc chất lượng kênh và thích ứng đường truyền. HARQ cũng phục vụ cho việc xử lý các lỗi ngẫu nhiên do tạp âm trong máy thu.
Các giải thuật quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource Management) chịu trách nhiệm chuyển đổi các tăng cường vật lý của HSDPA và HSUPA thành độ lợi dung lượng trong khi vẫn đảm bảo hiệu năng người sử dụng đầu
HSDPA RRM quan trọng nhất tại RNC và tại nút B.Ta chỉ xét đến việc lập biểu gói trong nút B.
Hình 3.17: Tổng quan các giải thuật HSDPA RRM
Lý thuyết cơ sở
Vấn đề cơ sở mà một bộ lập biểu phải giải quyết là làm cách nào để chia sẻ các tài nguyên cho tập hợp các người sử dụng có đủ điều kiện để nhận số liệu. Kelly đã đề xuất một cách trình bày vấn đề này. Kelly sử dụng khái niệm hàm tiện ích Un(rn), trong đó n ký hiệu cho người sử dụng HSDPA thứ n và rn là thông lượng cho người sử dụng thứ n này. Nếu coi hàm tiện ích là số đo “mức độ thỏa mãn hay hạnh phúc” nhận được từ việc được lập biểu. Thì giải pháp lập biểu tốt nhất là giải pháp cực đại hóa tổng các hàm tiện ích cho tất cả các người sử dụng tại mọi thời điểm cho trước, tổng các hàm này được gọi là ‘hàm đối tượng’.
Giả sử một hàm tiện ích Un(rn) hợp lý đã được định nghĩa, khi này sẽ xuất hiện một vấn đề khác là hành vi phụ thuộc thời gian của hệ thống tổ ong. Dung lượng kênh của từng người sử dụng cũng như dung lượng của toàn bộ ô thay đổi theo thời gian. Nghiên cứu cho thấy rằng tốt nhất là sử dụng giải thuật tìm kiếm gradient, giải thuật này cho phép cực đại hoá hơn nữa hàm đối tượng cho từng quyết định lập biểu. Như vậy, hệ thống cần lập biểu người sử dụng HSDPA trong TTI tiếp theo để thỏa mãn: n*=argmaxn{ }Mn , trong đó Mn=dn. n n n r r U ∂ ∂ ( ) (3.1)
Trong đó, Mn ký hiệu cho số đo lập biểu, dn là tốc độ số liệu tức thời mà người sử dụng n có thể hỗ trợ trong TTI tiếp theo. Lưu ý dn nhận được bằng cách tham vấn
giải thuật thích ứng đường truyền HSDPA. Thông lượng được chuyển cho các người sử dụng trong quá khứ có thể được cập nhật trong từng TTI cho tất cả các người sử dụng bằng biểu thức đệ quy, nghĩa là:
− + − = ~ ~ u c , u c , ) 1 ( ) 1 ( n n n n a r ad r a r (3.2)
Trong đó rn,cũ là giá trị cũ của rn và a là hệ số đoán. Vì thế a-1 bằng chu kỳ trung bình tương đương được đo bằng số lượng các TTI đối với bộ lọc làm nhẵn hàm mũ. Tính toán thông lượng cho một người sử dụng chỉ có thể được thực hiện cho các chu kỳ thời gian khi người sử dụng có số liệu trong bộ đệm nút B. Điều này là quan trọng để đảm bảo ổn định các phương pháp lập biểu gói nhận thức QoS, nếu không nó sẽ tìm cách đền bù cho các người sử dụng không tích cực không có số liệu để truyền.
Các giải thuật lập biểu gói
Các bộ lập biểu gói kinh điển khác nhau được liệt kê trong bảng dưới đây theo tiện ích của chúng và theo chức năng giám sát lập biểu.
Bảng 3.1: Các nguyên lý lập biểu gói
Bộ lập biểu Hàm tiện ích, Un(rn) Số đo lập biểu
Quay vòng (RR) 1 0
C/I hay thônh lượng cực đại (max-C/I) rn dn Công bằng tỷ lệ (PF) Log(rn) n n r d Lập biểu tốc độ bit cực tiểu (min-GBR)
rn+[1-exp(-β (rn-rmin))] dn{1+[1-exp(-β (rn-rmin))]}
Lập biểu tốc độ bit cực tiểu với công bằng tỷ lệ (min-GBR+PF) Log(rn) + [1-exp(-β(rn- rmin))] dn + − − )) ( exp( 1 min r r rn β β n Lập biểu trễ cực đại
(max-Del) -log(δn)log(rn)
n req n HOL d d , , n d − n req n n HOL n d r d , , . ). log(δ
Nếu người sử dụng n được phục vụ Nếu khác
min
r = đích tốc độ bit cực tiểu chẳng hạn tốc độ bit đảm bảo (GBR: Guaranteed Bit Rate)
β= hằng số điều khiển tính năng nổ của bộ lập biểu (giá trị khuyến nghị β =0.5)
n HOL
d , = trễ gói đầu hàng
n req
d , = yêu cầu trễ gói cực đại
n
δ = xác suất vi phạm (hay hệ số tăng nổ) đối với giải thuật
Bộ lập biểu quay vòng (RR: Round Robin) là một bộ lập biểu tham chuẩn phổ biến, trong đó các người sử dụng được lập biểu với xác suất như nhau không phụ thuộc vào điều kiện kênh.
Bộ lập biểu tỷ số sóng mang trên nhiễu cực đại (max C/I) hay nói chính xác hơn bộ lập biểu thông lượng cực đại được thiết kế để cực đại hoá thông lượng ô HSPA. Bộ lập biểu max-C/I tập trung các tài nguyên ô cho một tập con nhỏ các người sử dụng và có thể có một số người sử dụng tại biên ô sẽ chẳng bao giờ được lập biểu. Để đảm bảo phân chia công bằng tài nguyên giữa các người sử dụng, bộ lập biểu ‘công bằng tỷ lệ’ (PF: Propotional Fair) thường được xem xét. Bộ lập biểu PF đảm bảo cân đối giữa tính công bằng và thông lượng ô HSDPA có thể đạt được và đảm bảo mở rộng vùng phủ đáng kể. Cách giải thích phổ biến cho quan hệ này là các người sử dụng được lập biểu trên ‘đỉnh phađinh của họ’, chẳng hạn khi tốc độ số liệu tức thời của họ vượt quá giá trị trung bình (hình 3.18).
Mẫu số trong số đo lập biểu đảm bảo sự bền chắc vì người sử dụng nhận được ít tài nguyên lập biểu sẽ tăng tính ưu tiên của mình theo thời gian. Các nghiên cứu cũng cho thấy rằng có thể cải tiến bộ lập biểu để đảm bảo thông lượng trung bình như nhau cho tất cả mọi người sử dụng HSDPA chỉ đơn giản bằng cách thay đổi chiến lược lập biểu. Các thực thể điều khiển tải và điều khiển cho phép khi này có thể điều chỉnh số người sử dụng được ấn định cũng như tài nguyên HSDPA sao cho đạt được thông lượng trung bình tại mức dịch vụ đích.
Hình 3.18: Nguyên lý lập biểu công bằng tỷ lệ với trễ 3TTI
Để giải quyết yêu cầu phân biệt QoS tiên tiến, các nhà nghiên cứu đã đưa bộ lập biểu tốc độ bit đảm bảo cực tiểu (min-GRB) trong đó hàm tiện ích trở nên giá trị khá thấp đối với các trường hợp khi thông lượng trãi nghiệm của người sử dụng thấp hơn GBR, trái lại làm hàm tiện ích chỉ tăng vừa phải khi thông lượng trãi nghiệm cao hơn GBR. Bằng cách điều chỉnh giá trịβ(xem bảng) có thể điều chỉnh được mức độ năng nổ của bộ lập biểu MAC-hs nếu người sử dụng HSDPA xuống thấp hơn GBR. Trong bảng trên, biến thứ hai cũng được đưa và để bổ sung cho nguyên lý lập biểu công bằng tỷ lệ cơ sở. Một khả năng định nghiã hàm tiện ích nữa trong bảng trên là thực hiện các yêu cầu về trễ đóng gói bằng cách tăng mức ưu tiên khi trễ gói đầu hàng tiến gần đến yêu cầu trễ cực đại. Hàm này cũng dựa trên nguyên lý PF.
Bộ lập biểu gói MAC-hs cũng phải xử lý lập biểu cho các phát lại lớp một đang treo (đang chờ) trong bộ quản lý HARQ. Ở đây có hai cách tiếp cận cơ sở:
Luôn chọn các người sử dụng có các phát L1 lại đang treo với mức ưu tiên cao nhất cho TTI tiếp theo. Nếu có nhiều ngưới sử dụng đang chờ phát lại L1 thì một trong số các giải thuật trong bảng trên có thể được sử dụng để chọn người nào sẽ được lập biểu.
Luôn luôn chọn các người sử dụng sẽ được lập biểu trong TTI tiếp theo dựa trên một trong các giải thuật trong bảng trên. Nếu người sử dụng được chọn cho lập biểu có các phát lại L1 đang treo thì các phát lại này sẽ được phát trước khi khởi đầu các phát lại mới. Như vậy các phát lại được ưu tiên so với từng luồng số liệu.
Cần lưu ý rằng cách tiếp cận thứ hai được coi là giải pháp hấp dẫn nhất từ quan điểm dung lượng, vì nó cho bộ lập biểu gói các mức độ tự do cao hơn để lập biểu trước hết cho các người sử dụng có điều kiện vô tuyến tốt, nghĩa là họ sẽ được hưởng lợi từ phân tập đa người sử dụng. Trái lại, giải pháp thứ nhất hấp dẫn hơn từ quan điểm Jitter trễ gói, vì các phát lại L1 đang treo được trao ngay lập tức ưu tiên cao hơn không phụ thuộc vào các điều kiện kênh vô tuyến của người sử dụng và các thông số khác tham gia vào số đo lập biểu. Tuy nhiên trong các kịch bản thực tế với BELP từ 10 đến 20% trong các lần truyền dẫn thứ nhất, khác biệt hiệu năng giữa hai cách tiếp cận này là không lớn.
Bộ lập biểu gói hoạt động dựa trên thông tin về chất lượng kênh thường liên quan đến khái niệm ‘phân tập đa người sử dụng’. Nếu số người sử dụng trong tập ứng cử lập biểu lớn thì sẽ có một số người được ấn định tốc độ số liệu khá cao vì có điều kiện kênh tốt. Đây cũng là nguyên tắc ghép kênh đa người sử dụng.
Ghép kênh theo mã
Ghép kênh theo mã là trường hợp trong đó có nhiều người sử dụng HSDPA được lập biểu trong một TTI. Ghép kênh theo mã có thể được thực hiện theo hai kịch bản cơ sở sau:
Có thể sử dụng đến 15 HS-PDSCH trong nút B. Tuy nhiên, thông thường các UE chỉ hỗ trợ thu đồng thời 5 HS-PDSCH. Vì thế để có khả năng cực đại hóa hiệu suất sử dụng phổ tần, lập biểu ghép kênh theo mã cho ba người sử dụng đồng thời với mỗi người 5 mã.
Cũng cần ghép kênh theo mã để tối ưu hiệu năng nếu có nhiều người sử dụng HSDPA trên một ô được ấn định tốc độ số liệu thấp và các yêu cầu trễ cao. Chẳng hạn VoIP trên HSDPA thường đòi hỏi sử dụng ghép kênh theo mã để đạt được hiệu năng tốt.
Tuy nhiên sẽ xảy ra một số chi phí liên quan đến sử dụng ghép kênh theo mã: (1) Chi phí cho truyền dẫn HS-SCCH tăng, vì mỗi người sử dụng được ghép kênh theo mã đòi hỏi một HS-SCCH, (2) bậc phân tập đa người sử dụng giảm vì nhiều hơn một người sử dụng được lập biểu trong một TTI. Vì thế chỉ nên sử dụng ghép kênh theo mã khi thoả mãn một trong số các điều kiện nói trên. Nếu sử dụng ghép kênh theo mã cho N người sử dụng, thì bộ lập biểu gói trước hết chọn N người sử dụng có ưu tiên cao. Đơn giản nhất là chia các tài nguyên công suất và mã giữa các người sử dụng đồng thời bằng cách áp dụng chiến lược mã như nhau và công suất như nhau trong đó các người sử dụng nhận được khối lượng công suất HS-DSCH và mã như nhau.