CHƯƠNG 2 TIỀN MÃ HĨA CHO HỆ THỐNG MIMO-OFDM
3.3 Trường hợp mạng nhiề uơ với nhiều thuê bao
3.3.5.2 Thuật tốn cấp phát kênh theo vị trí
Giả định rằng thơng tin trạng thái của kênh truyền và vị trí của MS được truyền lại cho BS qua đường hồi tiếp. Hệ thống được điều khiển cơng suất để bù đắp mức tổn hao do khoảng cách truyền và kênh truyền được khơi phục hồn hảo tại bên thu. Phương pháp đề xuất thực hiện việc cấp phát kênh và đảm bảo nhiễu đồng kênh trong tồn hệ thống sẽ luơn nhỏ hơn một mức ngưỡng (Th) cho trước. Vì vậy sử dụng mức ngưỡng cĩ thể được coi là một tham số để thiết lập mức chất lượng dịch vụ của hệ thống.
Để đảm bảo nhiễu đồng kênh trong hệ thống luơn nhỏ một mức ngưỡng cho trước. Trước khi cấp phát sĩng mang con thứ cho thuê bao k MSi thuộc BSj. Thuật tốn thực hiện việc cấp phát thử trước, sau đĩ tính tốn nhiễu đồng kênh tại sĩng mang con thứ tác động lên tất cả các thuê bao đang hoạt động k MSp thuộc các BSl khác.
Nếu mức nhiễu đồng kênh sau khi cấp phát sĩng mang con thứ cho k MSi tại các thuê bao MSp vẫn đảm bảo nhỏ hơn mức ngưỡng thì sĩng mang con thứ sẽ được k
cấp phát cho MSi
Trong phương pháp đề xuất, thứ tự các MS sẽ được lựa chọn theo mức cơng suất phát từ nhỏ đến lớn. Việc lựa chọn các MS cĩ cơng suất phát nhỏ trước sẽ làm giảm
nhiễu đồng kênh trong hệ thống do đĩ sẽ làm tăng hiệu quả việc cấp phát kênh. Cơng suất phát tín hiệu được tính dựa trên suy hao khoảng cách giữa MS và BS.
Thuật tốn cấp phát kênh cho đường xuống:
B0: Sắp xếp các MSi theo thứ tự cơng suất phát từ nhỏ đến lớn.
B1: Cho 1 i=
B2: Chọn MSi thuộc BSj. Đối với mỗi BSj gọi {Bji} là tập các sĩng mang con cịn trống tại thời điểm thực hiện việc cấp phát cho MSi cĩ các phần tử r
ji
b là giá trị của kênh truyền giữa BSj và MSi với 0<r<NFFT- 1
B3: Đặt Ui=0, k =0 i
c , k=0,...,NFFT- 1
B4: Nếu {Bji}≠Φ (Φ : Là tập rỗng) thì tiếp tục B5 cịn khơng đi đến B9 B5: Chọn arg (max( r))
ji r b
k = . Kiểm tra mức nhiễu trên sĩng mang con thứ của k MSi
nếu k h i T
I ≤ thì cấp phát tạm thời sĩng mang con thứ cho k MSi đặt k =1 i c và loại bỏ k ji b khỏi tập {Bji}, {Bji}={Bji}\ k ji
b cịn khơng quay lại bước B4
B6: Tính tốn nhiễu đồng kênh gây ra bởi việc cấp phát sĩng mang con thứ cho k MSi tới các MSp khác (p≠i) thuộc các BSl (l≠j) cũng đang được cấp phát sĩng mang con thứ . k k p i k p k p I I I = + → B7: Nếu cĩ bất kỳ một giá trị k h p T I ≥ thì đặt k=0 i c cịn khơng thì Ui=Ui+1
B8: Nếu Ui<Nmax quay lai bước B4 cịn khơng thì đi đến B9 B9: i=i+1
B10: Nếu i< Mms quay lại B2 cịn khơng thì kết thúc
Chú ý:
+ Trong trường hợp cấp phát kênh ngẫu nhiên thì tại bước B0 của thuật tốn các MS được sắp xếp một cách ngẫu nhiên thay vì sắp xếp theo thứ tự ưu tiên về cơng suất như thuật tốn đề xuất.
+ Trong trường hợp cấp phát sĩng mang ngẫu nhiên thì tại bước B5 của thuật tốn giá trị được lựa chọn một cách ngẫu nhiên thay vì lựa chọn tốt nhất theo mức k
tối đa.
3.3.5.3 Kết quả mơ phỏng
a. Mơ hình hệ thống tái sử dụng 100% tần số
Mơ hình hệ thống OFDMA tái sử dụng tần số hệ số bằng một gồm bẩy ơ – như Hình 3-17.
Hệ thống OFDM gồm NFFT=64 sĩng mang con, khoảng bảo vệ cĩ độ dài là 20 chu kỳ lấy mẫu tín hiệu (GI=20). Số sĩng mang con cấp phát tối đa cho một MS là Nmax. Kênh truyền lấy trong mơ hình trong nhà ngồi trời (Indoor-Outdoor) [110] và được mơ phỏng theo phương pháp Monte-Carlo [1] với các tham số được lấy từ hệ thống Wimax [94]. Các MS được phân bố ngẫu nhiên trong vùng phủ sĩng của các BS. Hệ thống hoạt động ở chế độ FDD nghĩa là cĩ thể thu phát đồng thời nhưng tần số hướng lên và hướng xuống là khác nhau. Tổn hao của hệ thống cĩ thể được tính theo mơ hình suy hao được mơ tả trong [18], [23]
β
ε +
+
=A 10 log10(d/d0)
L (3-47)
Ở đây A=20.log10(4πd0/λ) với d0=100m, λ là bước sĩng, ε tổn hao hàm số mũ với ε =(a−bhb+c/hb), hb là độ cao anten của BS được lựa chọn giá trị bằng 80m. Các hằng số a, b, c được lựa chọn từ mơ hình kiểu A trong [18]. Biến β được phân bố ngẫu nhiên theo hàm log thể hiện ảnh hưởng của mơ hình “bĩng râm”
(shadowing effects) cĩ đ được tính
Ở đây Ui là tổng số sĩng 1≤η≤7, tương đương với và tối đa là cả bẩy ơ như
Hình 3-17
Kết quả mơ phỏng hoạt đ lần lặp.
Hình 3-18 So sánh giữa ph
độ lệch quân phương bằng 10dB. Tỷ lệ tái sử
∑ = = ms M i i FFT U N 1 1 η
g mang con đã cấp phát cho MSi. Cĩ thể dễ i việc cấp phát tồn bộ sĩng mang con cho
mơ hình hệ thống.
7. Mơ hình hệ thống 7 ơ sử dụng lại 100% tần số
động của tồn bộ hệ thống được tính trung b
ương pháp cấp phát kênh đề xuất và phương phá ngẫu nhiên Nmax=16 [5]
ử dụng tần số η (3-48) dàng thấy rằng tối thiểu một ơ bình với 10.000 áp cấp phát kênh
Hình 3-19 Hiệu q
Hình 3-20: So sánh hiệu
Từ Hình 3-18 ta thấy rằn tăng số lượng thuê bao. nghĩa là tăng mức nhiễu thuê bao cĩ cơ hội được c hội cấp phát kênh cho cá đều làm tăng hiệu quả tái Hình 3-19 cũng cho ta th là trong trường hợp số lư tăng thì cĩ nghĩa số lượn
quả cấp phát kênh trong trường hợp Nmax khác nh
u quả cấp phát kênh của hệ thống trong trường hợ khiển và cĩ điều khiển cơng suất [5]
ng tỷ lệ tái sử dụng tần số ηtăng khi tăng m Điều này cĩ thể giải thích rằng khi tăng m đồng kênh cho phép khi cấp phát kênh do v cấp phát kênh hơn. Cịn khi ta tăng số lượng ác thuê bao cũng tăng lên do vậy trong cả i sử dụng tần số.
hấy hiệu quả cấp phát kênh tăng lên khi tăng ượng MS nhỏ. Tuy nhiên ta cĩ thể nhận thấy
ng MS cĩ thể đồng thời truy cập mạng giảm
hau [5]
ợp khơng điều
mức ngưỡng hay mức ngưỡng cĩ vậy sẽ cĩ nhiều g thuê bao thì cơ
hai trường hợp
g Nmax. Đặc biệt nếu giá trị Nmax
đã cĩ thể chiếm phần lớn sĩng mang con của hệ thống. Cịn nếu giảm Nmax thì hiệu quả cấp phát kênh cĩ thể giảm nhưng bù lại là nhiều MS cĩ thể đồng thời truy cập mạng.
Hình 3-20 chỉ ra hiệu quả của việc cấp phát kênh trong trường hợp cĩ điều khiển cơng suất thì tốt hơn là trong trường hợp khơng điều khiển cơng suất. Điều này cho thấy việc sử dụng kỹ thuật điều khiển cơng suất cho phép cấp phát kênh mềm dẻo tới nhiều người hơn phương pháp khơng điều khiển cơng suất. Tuy nhiên kết quả trên Hình 3-21 thì lại cho thấy dung lượng hệ thống trong trường hợp khơng điều khiển cơng suất lại lớn hơn cĩ điều khiển cơng suất. Kết quả này đúng với kết quả ta đã trình bày ở phần trước là dung lượng hệ thống khơng điều khiển cơng suất lớn hơn cĩ điều khiển cơng suất.
Hình 3-21: So sánh dung lượng hệ thống trong trường hợp khơng điều khiển và cĩ điều khiển cơng suất
Qua Hình 3-22, ta thấy chất lượng truyền thơng được cải thiện rõ ràng khi SNR tăng lên. Tuy nhiên nếu SNR tiếp tục tăng (lớn hơn điểm A) thì chất lượng truyền dẫn cũng khơng tăng tỷ lệ với sự tăng của SNR nữa. Điều này cĩ thể được giải thích là việc thiết lập mức ngưỡng khiến cho mức cơng suất nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu khơng thể giảm nhỏ tùy ý được. Do đĩ ta cĩ thể tối ưu hĩa việc truyền thơng tin ở mức cơng suất hợp lý. Ngồi ra việc thiết lập mức ngưỡng cho phép ta cĩ thể điều khiển chất lượng dịch vụ của tồn bộ hệ thống ở mức mong muốn.
Hình 3-22 So sánh phương cấp phát sĩng mang ngẫu n bằng 10.000 t Hình 3-23 So sánh chất lư trong t Cũng kết quả trên Hình nhất làm tăng dung lượ phương pháp lựa chọn sĩ các đặc điểm (CSI) của k
g pháp cấp phát sĩng mang tốt nhất theo đề xuất nhiên - với các mức ngưỡng khác nhau. Số lượng
tương đương với 10.000×NFFT =640.000 kí hiệu
ượng hệ thống trong trường hợp sai lệnh vị trí do trường hợp cấp phát sĩng mang tốt nhất [5]
3-22 cho thấy phương pháp lựa chọn sĩng ợng truyền thơng của hệ thống. Tuy nhiê ĩng mang con ngẫu nhiên thì MS khơng cần kênh truyền cho BS.
và phương pháp g OFDM symbol [5] o MS di chuyển g mang con tốt n nếu áp dụng n phải truyền lại
Trên Hình 3-23 là kết quả chất lượng truyền thơng trong hệ thống khi cĩ sự thay đổi vị trí của MS nhưng chưa thực hiện sự cấp phát lại kênh truyền. Sự thay đổi vị trí ở đây được bố trí ngẫu nhiên cho các MS trong một ơ nhưng khơng vượt quá giá trị tối đa như trên hình 6. Nhận xét rằng trong trường hợp cĩ sai lệnh vị trí do MS di chuyển sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của kênh truyền. Ví trí thực sự của MS càng xa vị trí lúc được cấp phát kênh thì chất lượng truyền tín hiệu càng giảm. Tuy nhiên nếu ta cĩ thể thấy rằng với khoảng cách càng lớn thì thời gian cần cập nhật thơng tin vị trí càng dài và tốc độ kênh dành cho việc cập nhật vị trí càng giảm (xem Bảng 3-2 dưới đây) Sai lệch vị trí (m) Tốc độ bít cập nhật ( ) v 20 8bit/s 50 3.2bit/s 100 1.6bit/s 200 0.8bit/s 400 0.4bit/s
Bảng 3-2: Quan hệ giữa tốc độ bit và khoảng cách đã di chuyển của MS-với thơng tin cập nhật vị trí là 32bit-tốc độ di chuyển của MS là 5m/s [5]
Hình 3-24: Quan hệ giữa dung lượng và mức ngưỡng trong trường hợp cĩ điều khiển cơng suất
.
Hình 3-25 Quan hệ giữa dung lượng và mức ngưỡng trong trường hợp khơng điều khiển cơng suất
Hình 3-24. Hình 3-25 mơ tả mối quan hệ giữa dung lượng hệ thống và mức ngưỡng. Cĩ thể thấy rằng khi thay đổi mức ngưỡng thì số lượng sĩng mang con được cấp phát cho hệ thống cũng thay đổi theo – do vậy dung lượng của hệ thống cũng thay đổi. Nhận xét rằng với một mức ngưỡng nhất định thì dung lượng hệ thống đạt giá trị lớn nhất. Tuy nhiên tùy thuộc vào phương pháp điều khiển cơng suất và số lượng thuê bao trong ơ mà mức ngưỡng để hệ thống đạt giá trị tối ưu cĩ thể thay đổi. Điều này cĩ thể giải thích rằng khi thiết lập một mức ngưỡng thấp, thì chỉ cĩ một số ít thuê bao đáp ứng được yêu cầu thuật tốn được cấp phát sĩng mang nên dung lượng hệ thống nhỏ. Khi tăng mức ngưỡng lên thì số lượng sĩng mang cấp phát cho các thuê bao tăng lên làm tăng dung lượng hệ thống. Mặt khác khi tăng mức ngưỡng lên một mức nào đĩ thì dung lượng hệ thống cũng khơng thể tăng mãi do số lượng sĩng
mang và thuê bao cấp phát cĩ hạn. Từ kết quả Hình 3-24 cĩ thể thấy rằng dung lượng hệ thống tối ưu khơng phái là tất cả các ơ đều được bật lên. Ví dụ trong [50] đã chứng minh được trong trường hợp khơng điều khiển cơng suất tỷ lệ số ơ được bật lên xấp xỉ 0,63. Tuy nhiên đáng tiếc là trong kết quả khơng cho biết đầy đủ các tham số mơ phỏng hệ thống như số lượng MS trung bình trong một ơ hay bán kính ơ.
Trên thực tế đối với mỗi hệ thống thơng tin, tối ưu hĩa kỹ thuật cấp phát để hệ thống đạt được dung lượng lớn nhất là rất quan trọng. Tuy nhiên thực hiện việc tối ưu hĩa này phụ thuộc vào rất nhiều tham số như số lượng ơ, kích thước và khoảng cách giữa các ơ, số lượng MS, sự phân bố MS trong các ơ, mơ hình suy hao và thuật tốn cấp phát kênh. Dĩ đĩ để xác định một mức ngưỡng tối ưu mang lại dung lượng lớn nhất cho hệ thống là một vấn đề rất khĩ vì đây là một hàm khơng lõm kết hợp của rất nhiều biến. Trong [50] đã trình bày một phương pháp tính tốn và xác định mức ngưỡng tối ưu cho hệ thống. Mức ngưỡng trong [50] là một giá trị độ lợi của kênh truyền. Nếu giá trị độ lợi kênh truyền lớn hơn mức ngưỡng thì MS đĩ sẽ được cấp phát kênh.
Trong trường hợp khơng điều khiển cơng suất, mức ngưỡng tối ưu lớn hơn so với trường hợp cĩ điều khiển cơng suất. Điều này cĩ thể giải thích rằng với trường hợp khơng điều khiển cơng suất. Tất cả các MS được phát với cơng suất tối đa bằng Pmax
nên mức nhiễu CCI trong hệ thống cũng lớn hơn so với trường hợp cĩ điều khiển cơng suất. Do đĩ với cùng một thuê bao thì trong trường hợp khơng điều khiển cơng suất mức ngưỡng phải lớn hơn so với phương pháp cĩ điều khiển cơng suất
Nhận xét trong cả hai trường hợp cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất thì khi số lượng MS tăng lên thì mức ngưỡng tối ưu cũng tăng lên.
b. Mơ hình hệ thống sử dụng 1 phần tần số theo phương pháp phân tập sĩng mang.
Áp dụng với mơ hình hệ thống tái sử dụng một phần tần số như trong Hình 3-26. Trong đĩ MS nằm ở vị trí 1F ,F2,F3 chỉ được phép sử dụng một phần trong số NFFT
sĩng mang con. Tập các sĩng mang con F ={0,...,N1 FFT/3}, F2= {NFFT/3+ ,...,2*N1 FFT/3}, F3={2*NFFT/3+ ,....,N1 FFT- }1 . Cịn các MS nằm trong vịng trịn nhỏ (khu vực ) cĩ tâm là BS bán kính F RF (Ở đây RF≤RC) thì cĩ thể sử dụng tồn bộ F={0,....,NFFT} sĩng mang con.
Hình
Đặt κ =RF/RC, kết quả đương với mơt hình tái s quả cấp phát kênh của m mơ hình phân tập sử dụn dụng giới hạn bán kính v cần thiết đối với hệ thống hưởng ngược lại của nhiễ
Hình 3-27. So sánh trường tương đương v 1 = κ 3-26. Mơ hình sử dụng lại một phần tần số
mơ phỏng biểu diễn trên Hình 3-27, giá sử dụng 100% tần số trong tồn bộ một ơ. N mơ hình sử dụng 100% tần số (Hình 3-17) vẫn
ng một phần tần số (Hình 3-26). Điều này c vịng trịn nhỏ bên trong để sử dụng 100% g OFDMA sử dụng kỹ thuật cấp phát kênh ễu đồng kênh.
g hợp tái sử dụng tần số với các giá trịκkhác nh
với mơ hình khơng phân tập sĩng mang như hình
trị κ =1 tương Nhận xét về hiệu n tốt hơn so với ho thấy việc áp tần số là khơng cĩ tính đến ảnh hau Trường hợp h 3-17 [5]