CHƯƠNG 2 TIỀN MÃ HĨA CHO HỆ THỐNG MIMO-OFDM
3.2 Trường hợp hệ thống mộ tơ với nhiều thuê bao
3.2.1 Tổng quan về các phương pháp cấp phát kênh cho hệ thống OFDMA
Trong OFDMA [9] cũng như trong nhiều hệ thống vơ tuyến khác, việc cấp phát các sĩng mang con và cơng suất phát cho các thuê bao thường dựa trên các điều kiện của kênh truyền nhằm tối đa thơng lượng mạng.
Trong các phương pháp này, các đặc điểm của kênh truyền (CSI) phải được nhận biết bởi trung tâm điều khiển việc cấp phát kênh của BS. Do vậy để hồn thành một quá trình cấp phát kênh cho các thuê bao mới tham gia vào mạng, hệ thống thường
phải tiến hành hai giai đoạn. Giai đoạn đầu là quá trình thuê bao truy cập ngẫu nhiên vào hệ thống, ở bước này các quá trình đồng bộ và ước lượng kênh truyền được thực hiện. Các đặc điểm kênh truyền đường xuống sẽ được MS gửi trở lại cho BS. Ở giai đoạn sau, BS thực hiện các thuật tốn cấp phát kênh dựa trên các thơng tin nhận được ở giai đoạn một. Một khi các thơng số cấp phát đã được quyết định, BS cần thơng báo cho mỗi thuê bao biết về các sĩng mang con mà nĩ được cấp phát với cơng suất và số mức điều chế cũng như mã hĩa. Mỗi khi cĩ sự thay đổi về việc bố trí sắp xếp lại các sĩng mang con cấp phát cho các thuê bao, BS cần phát thơng tin quảng bá tới tất cả các thuê bao trên tồn mạng.
Việc lựa chọn các sĩng mang con cho các thuê bao thường phải dựa trên những điều kiện nhất định do người thiết kế mạng đặt ra. Điều kiện để cấp phát kênh cho thuê bao thường dựa trên các điều kiện về tối ưu hiệu quả sử dụng băng thơng hệ thống, tốc độ bit truyền, tổng cơng suất phát hay tỷ lệ lỗi bít cho một nhĩm hay tổng thể tồn thuê bao của hệ thống. Kỹ thuật cấp phát kênh tổng quát cĩ thể phân chia thành hai bước. Bước thứ nhất là xác định thuê bao và các sĩng mang con sẽ cấp phát cho nĩ. Bước tiếp theo là dựa trên các sĩng mang con đã cấp phát thực hiện việc điều chế thích nghi để tăng tốc độ bít và giảm tỷ lệ lỗi bít của hệ thống. Trong [4] trình bày một kỹ thuật cấp phát kênh dựa trên đặc tính kênh truyền trong trường hợp cĩ nhiều thuê bao. Kết quả trong [4] cĩ thể so sánh tương đương với [9] nhưng được
trình bày chi tiết hơn kèm theo kết quả mơ phỏng để so sánh với lý thuyết. Thêm vào đĩ trong [4] cũng mở rộng ra cho trường hợp điều chế nhiều mức M-QAM. Với các sĩng mang con đã cấp phát cho các thuê bao, việc áp dụng cơ chế điều chế và mã hĩa thích ứng (AMC) [62], [71], [91], [92], [96], [99], [101] sẽ đảm bảo tốc độ và tỷ lệ lỗi bít là tối ưu trên mỗi sĩng mang con. Kỹ thuật này áp dụng một cơ chế điều khiển cơng suất phát trên mỗi sĩng mang con tùy thuộc vào chất lượng của từng sĩng mang con nhưng vẫn đảm bảo tổng cơng suất phát của tồn hệ thống là khơng đổi và từ đĩ áp dụng các phương pháp điều chế khác nhau cĩ kết hợp với mã hĩa sửa lỗi với một tỷ lệ mã nhất định để tối ưu hĩa dung lượng của hệ thống.
3.2.1.1 Một số nghiên cứu về điều chế thích ứng cho hệ thống OFDMA
Kỹ thuật điều chế và mã hĩa thích ứng OFDMA nhằm khai thác đặc tính biến thiên theo thời gian và tần số của kênh truyền. Ý tưởng của thuật tốn này thật đơn giản, truyền tải dữ liệu cĩ tốc độ cao khi điều kiện kênh truyền tốt và truyền ở tốc độ thấp trên kênh truyền cĩ chất lượng kém.
Việc cấp phát tài nguyên cho các thuê bao thường phải dựa trên một số điều kiện hạn chế để cĩ thể tối ưu được thuật tốn. Điều kiện thứ nhất thường là đảm bảo tổng cơng suất phát trên tất cả các sĩng mang con của tất cả các thuê bao là khơng đổi. Tuy nhiên mức cơng suất phát trên mỗi sĩng mang con lại cĩ thể thay đổi. Việc thay đổi mức cơng suất phát tín hiệu trên mỗi sĩng mang con trước khi truyền đi nhằm làm tối ưu hiệu quả sử dụng phổ trên mỗi sĩng mang đĩ. Đồng thời dựa trên mức cơng suất phát tín hiệu trên mỗi sĩng mang con mà ta sử dụng một sơ đồ điều chế thích hợp nhằm đảm bảo một tỷ lệ lỗi bít thấp nhất trên tồn hệ thống. Phương pháp này được biết như là kỹ thuật đổ nước (Water Filling) [99], [62], [101]. Điều kiện thứ hai là tối thiểu hĩa tổng cơng suất phát của tất cả các thuê bao trong khi lại hạn chế về tốc độ bít [91], [92]. Cĩ thể tĩm tắt một số thuật tốn được sử dụng như sau [9]
• Thuật tốn tối đa tốc độ (MSR- Maximum Sum Rate Algorithm) của tất cả các thuê bao trong điều kiện hạn chế về tổng cơng suất phát [101], thuật tốn này
dựa trên tỷ số giữa mức tín hiệu nhiễu giao thoa và nhiễu Gauss để quyết định việc cấp phát kênh nhằm mục đích tối đa hĩa về mặt dung lượng Shannon của kênh truyền. Nhược điểm của thuật tốn này là sự khơng bình đẳng giữa các thuê bao. Với các thuê bao ở gần BS, hiển nhiên là cĩ chất lượng kênh truyền tốt và sẽ được ưu tiên cấp phát kênh trước so với các thuê bao ở xa BS. Tuy nhiên thuật tốn này cho dung lượng mạng là tối đa.
• Thuật tốn tối đa hĩa quyền bình đẳng giữa các thuê bao (MFA Maximum
Fairness Algorithm)- Khắc phục nhược điểm của thuật tốn MSR là trong hệ thống mạng do ảnh hưởng của suy hao nên một số thuê bao ở xa với chất lượng kênh truyền kém hồn tồn khơng được phục vụ, thuật tốn MFA [71] hướng tới việc cấp phát sĩng mang con và cơng suất để tối đa tốc độ tối thiểu của thuê bao. Điều này đồng nghĩa với việc san bằng tốc độ của tất cả các thuê bao. Thuật tốn bình đẳng tối đa cĩ thể coi như là giải quyết vấn đề tối ưu giữa cấp phát sĩng mang con và cơng suất là một vấn đề khĩ hơn so với phương pháp MSR bởi vì nĩ là một hàm khơng lõm. Do độ phức tạp giữa việc tối ưu đồng thời các sĩng mang con cấp phát và xác định mức cơng suất trên mỗi sĩng mang nên để giảm sự phức tạp này việc tối ưu hĩa cĩ thể thực hiện lần lượt từng cơng việc một. Trước hết là cấp phát các sĩng mang cho các thuê bao rồi mới xác định mức cơng suất phát trên các sĩng mang đã cấp phát. Cách tiếp cận này sẽ khởi tạo
mức cơng suất là bằng nhau trên tất cả các sĩng mang con rồi gán các sĩng mang con đĩ tới các thuê bao cĩ mức tín hiệu tốt nhất tương ứng với sĩng mang con đang xét [71]. Sau khi việc xắp xếp các sĩng mang con tới các thuê bao hồn thành. Thuật tốn tối ưu hĩa cơng suất theo phương pháp “đổ nước” (WF: Water Filling) được thực hiện. Thuật tốn WF sẽ tối ưu hĩa việc xác định mức cơng suất trên từng sĩng mang để đạt được mức tối đa về hiệu quả sử dụng băng thơng trên từng thuê bao.
• Thuật tốn hạn chế một phần tốc độ (PRC-Proportional Rate Constraints Algorithm)- Điểm yếu của thuật tốn MFA là việc phân bố tốc độ giữa các thuê
bao là khơng mềm dẻo. Thêm vào đĩ tổng thơng lượng của hệ thống bị hạn chế rất lớn bởi các thuê bao cĩ mức SINR thấp do một phần lớn tài nguyên đã cấp phát cho các thuê bao đĩ. Do vậy thuật tốn MFA chưa tối ưu. Thuật tốn PRC là thuật tốn tổng quát của thuật tốn MFA mà ở đĩ một phần tốc độ của thuê bao bị hạn chế. Ưu điểm của thuật tốn này là cĩ thể xác định được tốc độ của từng thuê bao riêng lẻ, tuy nhiên giải quyết vấn đề này một cách tổng quát khơng đơn giản trong một hệ thống với nhiều tham số liên quan như số lượng sĩng mang con, mức cơng suất, tỷ lệ tốc độ giữa các thuê bao. Việc tối ưu hĩa gần đúng cĩ thể tìm thấy trong [78], [77] và trong [93] phát triển một hệ thống với độ phức tạp thấp.