IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):
5. Cấu trúc của luận văn
1.2.3. Đa truy cập phân chia theo tần số
Trong hệ thống FDMA, phổ tần số được chia thành các dãy tần số không chồng lấp nhau, có thể xem chúng là các kênh trực giao. Do đó, nhiễu giữa các kênh này được loại trừ. FDMA được minh họa như hình 1.10.
4.3. Ước lượng kênh truyền và hồi tiếp:
Kết quả ước lượng kênh truyền có được tại BS có thể bị sai lệch do hai nguyên nhân chính sau [8]:
- Lỗi do việc ước lượng kênh truyền tại user thông qua việc đo đạc tín hiệu pilot. - Độ trễ (delay) của thông tin hồi tiếp (feedback) so với sự thay đổi của kênh truyền.
Hình 1.11: Độ thay đổi của kênh truyền trong môi trường cố định và di động.
Hướng downlink, kênh pilot được BS phát chung cho tất cả các user với công suất khá lớn. Vì vậy, lỗi do việc đo đạc tín hiệu tại user là rất thấp. Khi đó, kết quả ước lượng tại BS bị lỗi chủ yếu là do độ trễ của thông tin hồi tiếp.
1.4. Các kỹ thuật phân tập: 1.4.1. Phân tập thời gian: 1.4.1. Phân tập thời gian:
Phân tập thời gian đạt được bằng cách phát đi các bản sao của cùng một thông điệp (message) tại những khe thời gian khác nhau, kết quả là các tín hiệu fading nhận được tại phía thu không tương quan với nhau. Khoảng thời gian giữa hai lần truyền phải lớn hơn khoảng thời gian để đặc tính kênh truyền thay đổi. Kết quả là việc giải mã tín hiệu tại phía thu sẽ bị trễ, vì vậy, kỹ thuật phân tập này chỉ hiệu quả trong môi
trường fading nhanh, nghĩa là đặc tính kênh truyền thay đổi rất nhanh. Đối với kênh truyền fading chậm, độ trễ cao gây trở ngại cho các ứng dụng nhạy với trễ, chẳng hạn như truyền tín hiệu thoại. Hạn chế lớn nhất của phân tập thời gian là sự dư thừa về mặt thời gian, chính điều này làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông.
Hình 1.12: Phân tập thời gian.
4.4.2. Phân tập tần số:
Trong phân tập tần số, nhiều tần số khác nhau được sử dụng để truyền cùng một thông điệp. Các tần số này cách nhau đủ lớn để đảm bảo là fading tác động lên các tần số này ở những mức độ khác nhau. Khoảng cách về tần số phải lớn hơn vài lần băng thông liên kết- băng thông mà trong đó các tần số chịu sự tác động của fading là như nhau- để nhận được ở nơi thu những mẫu bản sao (thông điệp) bị fading là không tương quan. Băng thông liên kết ứng với các môi trường truyền dẫn khác nhau là khác nhau.
Hình 1.13: Phân tập tần số.
Trong thông tin di động, việc truyền nhiều bản sao thông điệp trong phân tập tần số tạo ra sự dư thừa thông tin về mặt tần số tại phía thu, hay nói cách khác nó gây ra
hiện tượng trải phổ. Kỹ thuật trải phổ này chỉ đạt hiệu quả khi kênh truyền có băng thông liên kết nhỏ. Tuy nhiên, khi băng thông liên kết lớn hơn khoảng tần số trải thì phân tập tần số không đạt hiệu quả như mong muốn. Giống như phân tập thời gian, phân tập tần số cũng làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông vì cung cấp dư thừa thông tin về mặt tần số.
4.4.3. Phân tập không gian:
Phân tập không gian là một kỹ thuật phổ biến trong thông tin vô tuyến tần số cao. Phân tập không gian còn được gọi là phân tập anten. Ý tưởng của kỹ thuật này đơn giản chỉ là sử dụng nhiều anten hay nhiều anten dãy sắp xếp với nhau trong không gian để thu và phát tín hiệu. Các anten được đặt cách nhau trong không gian để tín hiệu nhận được trên các anten là không tương quan. Khoảng cách đòi hỏi này phụ thuộc vào độ cao của anten, môi trường truyền và tần số. Thông thường, khoảng cách vài bước sóng là đủ để các tín hiệu thu không tương quan. Trong phân tập không gian, sự lặp lại tín hiệu phát cung cấp cho phía thu sự dư thừa thông tin về mặt không gian. Không giống như phân tập thời gian và phân tập tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu quả sử dụng băng thông. Nhờ đặc tính này mà phân tập không gian được xem như là giải pháp đầy triển vọng cho các thế hệ truyền thông vô tuyến tốc độ cao trong tương lai.
Dựa vào việc có nhiều anten được sử dụng tại phía phát hay phía thu mà ta chia phân tập không gian làm hai loại: phân tập thu và phân tập phát. Trong phân tập thu, nhiều anten được sử dụng tại phía thu để nhận những bản sao của tín hiệu. Các bản sao tín hiệu tại phía thu nếu được kết hợp một cách hợp lý sẽ làm tăng SNR tại phía thu và giảm ảnh hưởng của fading đa đường. Còn trong phân tập phát, thông điệp được xử lý tại phía phát và được phát đi đồng thời trên nhiều anten.
Xu hướng ngày càng nhỏ gọn của thiết bị di động là một trở ngại rất lớn trong việc tích hợp nhiều anten trong thiết bị di động để khai thác độ lợi phân tập không gian. Do đó, trong các hệ thống di động tế bào việc thu phân tập thường chỉ được thực hiện tại BS.
CHƯƠNG 2
PHÂN TẬP ĐA USER VÀ CÁC LOẠI SCHEDULING
CHƯƠNG 2:
PHÂN TẬP ĐA USER VÀ CÁC LOẠI SCHEDULING ***
2.1. Phân tập đa user (Phân tập đa người dùng):
Trong chương 1, mô hình kênh truyền là điểm- điểm (point-to-point) giữa phía phát và phía thu. Với kênh truyền fading, sự thay đổi của kênh truyền gây trở ngại cho việc thiết lập một kết nối tin cậy. Các kiểu phân tập truyền thống như: phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading nhằm giảm BER (Bit Error Rate), nâng cao dung lượng truyền. Nguyên tắc chung của các kiểu phân tập này là phía phát sẽ gửi nhiều bản sao của cùng một thông điệp đến phía thu tạo nên sự dư thừa về mặt thời gian, tần số, không gian tại phía thu nên làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông.
Khác với các kỹ thuật phân tập truyền thống trên, phân tập đa user (Multi User Diversity) được sử dụng trong các hệ thống đa user. Phân tập đa user tận dụng sự thay đổi ngẫu nhiên của kênh truyền fading của các user để nâng cao dung lượng toàn hệ thống mà không cần tăng công suất phát. Điều này đạt được khi BS dùng các phương pháp lựa chọn user (scheduling) cơ hội để chọn user có kênh truyền tốt tại mỗi thời điểm để truyền. Còn đối với mỗi user, tổng dung lượng hứa hẹn sẽ tăng lên khi thống kê trong một thời gian đủ dài. Phân tập đa user không làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông nhưng gây ra một số vấn đề về sự công bằng, độ trễ giữa các user trong hệ thống.
2.2. Độ lợi phân tập đa user [8]:
Độ lợi phân tập đa user là thông số được xác định bằng cách lập tỷ số giữa tổng dung lượng của hệ thống khi sử dụng phương pháp lựa chọn user Greedy Scheduling với tổng dung lượng của hệ thống khi sử dụng phương pháp lựa chọn user Round
Robin Scheduling. Định nghĩa phương pháp Greedy Scheduling, Round Robin Scheduling và các Scheduling cơ hội khác sẽ được trình bày rõ hơn ở phần 2.5.
Độ lợi phân tập đa user đạt được từ những sự thay đổi bất thường của kênh truyền. BS (trạm gốc) sẽ tập hợp thông tin kênh truyền của tất cả các user, sau đó truyền dữ liệu cho user có kênh truyền tốt nhất. Với quan điểm này, sự phân bố độ lợi kênh truyền đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc truy cập hệ thống. Kênh truyền của các user thay đổi càng ngẫu nhiên thì khả năng tăng dung lượng của hệ thống càng cao, như minh họa trong hình 2.1.
Hình 2.1: Độ lợi phân tập đa user với kênh truyền Rayleigh và Rician (k=5) tại SNR=0.
Như hình trên độ lợi phân tập theo tổng dung lượng của các kênh truyền Rayleigh, Rician và AWGN được vẽ với SNR= 0 dB. Ta đã biết, kênh truyền Rayleigh không có đường truyền thẳng (LOS- Light of Sight) nên độ lợi kênh truyền có tính ngẫu nhiên cao nhất. Kênh truyền Rician có đường truyền thẳng (LOS) nên kém ngẫu nhiên hơn kênh truyền Rayleigh. Do đó, độ lợi phân tập đa user của kênh truyền Rician kém hơn trong kênh truyền Rayleigh. Kênh truyền AWGN tại SNR cố định thì không có độ lợi phân tập.
2.3. Các ảnh hưởng đến hệ thống khi khai thác độ lợi phân tập đa user [8]:
Khi khai thác phân tập đa user trong hệ thống thực tế sẽ có những ưu điểm và hạn chế sau:
a. Sự công bằng và độ trễ: Trong một hệ thống đồng nhất (mỗi user có cùng phân bố độ lợi kênh truyền với giá trị công suất trung bình nhận được là như nhau), thì phương pháp chọn một user với độ lợi kênh truyền tốt nhất là công bằng nếu xét trong thời gian dài. Do đó, có thể tăng tổng dung lượng hệ thống cũng như dung lượng của mỗi user. Tuy nhiên, trong thực tế các user thường có đặc tính thống kê kênh truyền không giống nhau. Một số user thường có kênh truyền tốt hơn các user còn lại. Vì vậy, khi tiêu chí đầu tiên là tăng tổng dung lượng hệ thống thì dung lượng của mỗi user sẽ không đảm bảo. Để đảm bảo sự công bằng giữa các user cần có một số điều chỉnh trong hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng với các ứng dụng có độ nhạy cao với trễ.
b. Ước lượng kênh truyền và hồi tiếp: Độ lợi phân tập đa user đạt được khi thông tin kênh truyền (CSI) được biết ở cả phía phát lẫn phía thu. CSI có được thông qua các phương pháp ước lượng kênh truyền. BS gửi chuỗi pilot chung cho tất cả các user trong cell ước lượng. Sau khi ước lượng, các user hồi tiếp (feedback) trạng thái kênh truyền của mình về phía phát (BS). Trong điều kiện lý tưởng, CSI được hồi tiếp về BS là hoàn hảo, không bị lỗi. Khi có càng nhiều user trong hệ thống thì lượng thông tin hồi tiếp càng tăng lên. Các phương pháp để giảm thông tin hồi tiếp được khảo sát trong [6], [18], [19] và [21].
c. Độ thay đổi của kênh truyền: Độ lợi phân tập đa user phụ thuộc vào độ dao động của kênh truyền. Kênh truyền dao động nhanh giúp việc phân bổ tài nguyên công bằng hơn, giảm độ trễ trung bình của mỗi user. Kênh truyền thay đổi chậm, BS sẽ truyền cho user tốt nhất trong thời gian dài, làm cho các user bị trễ cao.
2.4. Mô hình hệ thống:
Trong luận văn, chúng ta sẽ tập trung khảo sát hướng Downlink trong một cell của hệ thống di động tế bào TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian). Cell khảo sát bao gồm 1 BS và K user như hình 2.2.
Hình 2.2: Hướng Downlink của hệ thống đa user.
Với hệ thống TDMA thì trong mỗi TS chỉ có một user được kết nối đến BS. Giả sử, kênh truyền được ước lượng tại K user và truyền hồi tiếp về BS hoàn hảo, không bị lỗi. Mặt khác, ta cũng giả sử băng thông kênh truyền cho mỗi user là đủ nhỏ để có thể xem là kênh truyền phẳng về mặt tần số và kênh truyền là kênh truyền fading chậm. Do kênh truyền fading chậm nên giá trị SNR được ước lượng tại user (truyền hồi tiếp về BS) sẽ không thay đổi trong khoảng thời gian một TS. Công suất phát tại BS là không đổi với tất cả các TS.
Hình 2.3: Sơ đồ khối cơ bản hướng downlink của hệ thống TDMA.
Trong sơ đồ khối cơ bản hướng downlink của hệ thống TDMA, hình 2.3, BS gồm các khối cơ bản:
- Khối Admission control: thực hiện việc điều khiển chung đối với các khối khác trong BS.
- Khối Buffers: bộ đệm dữ liệu trên BS trước khi truyền đến các user.
- Khối Resource allocation: làm nhiệm vụ cấp phát tài nguyên (như: tần số, công suất phát, mã hóa…) cho các user.
- Khối Scheduler: chọn user được truyền trong mỗi TS. Các phương pháp scheduling của khối Scheduler sẽ được khảo sát trong luận văn này.
2.5. Các phương pháp chọn user (Scheduling):
Scheduling là phương pháp cho phép nhiều user cùng chia sẻ một tài nguyên (resource) chung. Ban đầu, scheduling được sử dụng cho việc phân phát tài nguyên CPU cho các tác vụ trong hệ điều hành. Ngày nay, các giải thuật được phát triển cho hệ thống này được ứng dụng cho lĩnh vực không dây để schedule các ứng dụng data (data packet) đến các user. Trong vô tuyến, scheduling phân phát tài nguyên như: công suất
phát, băng thông, loại điều chế,… cho các user để tối ưu cho một hay một vài tiêu chuẩn như: thông lượng (throughput), độ trễ (delay)…v.v. Cụ thể, luận văn này sẽ khảo sát các loại scheduling cơ hội khác nhau được sử dụng để phân phối TS cho các user trong một cell của hệ thống TDMA. Qua đó, ta thấy được độ lợi phân tập đa user, tổng dung lượng của toàn hệ thống và mức độ trễ của các user ứng với từng loại scheduling.
2.5.1. Round Robin Scheduling:
RR Scheduling là phương pháp scheduling cơ bản đầu tiên. Trong phương pháp này, các user đang hoạt động trong hệ thống được truyền tuần tự theo các TS cố định mà không quan tâm đến chất lượng kênh truyền của nó. Với việc mỗi user sẽ được cấp các TS cố định trong mỗi Frame, giải thuật này cung cấp độ công bằng cao nhất về giao diện vô tuyến. Do đó, thời gian trễ của các user là giống nhau nhưng dung lượng toàn hệ thống sẽ không tối ưu nếu nhiều user có chất lượng kênh truyền không tốt.
Hình 2.4: Cấu trúc Frame và TS của RR Scheduling.
Cơ chế hoạt động của một hệ thống gồm 1BS và K user sử dụng RR Scheduling được minh họa trong hình 2.4. Tại BS, dữ liệu sẽ được chia theo các Frame, mỗi Frame sẽ được chia thành K TS. Mỗi TS sẽ được phân bổ cho một user cố định. Khi đó, dung lượng của toàn hệ thống trong khoảng thời gian K TS sẽ bằng tổng dung lượng của K user.
1 K k k C C (20) Khi đó, khoảng thời gian trễ của các user bằng nhau và bằng (K-1)x .
2.5.2. Greedy Scheduling (SNR cực đại):
Trong phương pháp Round Robin, tổng dung lượng của hệ thống không tối ưu do các user vẫn được chọn để truyền mặc dù chất lượng kênh truyền của nó không tốt tại thời điểm đó. Một ý tưởng mới nảy sinh, chúng ta có thể cực đại tổng dung lượng của toàn hệ thống bằng cách truyền dữ liệu cho user có độ lợi kênh truyền lớn nhất trong mỗi TS [8]. Phương pháp scheduling đó được gọi là Greedy Scheduling hay Max SNR Scheduling. 2 2 0 ( ) log 1 max{ k } / / C t h t xP bits symbol (21)
* Lưu đồ giải thuật:
Kết thúc
User hồi tiếp SNR về BS
BS truyền data cho user có max SNR User ước lượng kênh truyền
Bắt đầu
Greedy Scheduling được thực hiện theo các bước sau:
- Bước 1: BS phát tín hiệu pilot chung đến tất cả các user.
- Bước 2: Các user nhận tín hiệu pilot và ước lượng kênh truyền của mình.
- Bước 3: Các user truyền thông tin kênh truyền của mình về BS.
- Bước 4: BS chọn user có giá trị SNR cao nhất để truyền trong TS.
Với môi trường fading đồng nhất, xác xuất có kênh truyền tốt của các user gần như nhau như hình 2.5 thì phương pháp Greedy Scheduling vừa đạt được độ lợi đa user, vừa đảm bảo sự công bằng giữa các user nếu khảo sát trong một khoảng thời gian đủ dài.
Hình 2.5: Đặc tính thống kê kênh truyền của 2 user trong môi trường fading đồng nhất.
Trong hình 2.6, có thể do khoảng cách từ BS đến các user khác nhau làm cho một user luôn có kênh truyền tốt hơn user còn lại. Nếu sử dụng Greedy Scheduling sẽ dẫn đến những user có kênh truyền không tốt sẽ bị delay cao, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ. Để khắc phục nhược điểm này, [8] và [16] đã giới thiệu một phương pháp scheduling mới đó là PF Scheduling. PF chọn user dựa vào tỷ số giữa tốc độ có thể đạt
được hiện tại [ ] và lưu lượng mà user k đã nhận trước đó [ ] đảm bảo các user có kênh truyền không tốt cũng có cơ hội được truyền.
Hình 2.6: Đặc tính thống kê kênh truyền của 2 user trong môi trường không đồng