Hiệu suất của một dịch vụ dữ liệu gói trong các hệ thống di động có thể được đặc trưng bởi một số các thước đo khác nhau tùy thuộc vào quan điểm áp dụng (xem hình 3.1). Một người sử dụng trong mạng vô tuyến đang trải qua những điều kiện vô tuyến tốt có thể thưởng thức tốc độ dữ liệu đỉnh của giao diện vô tuyến.Tuy nhiên, thông thường một người sử dụng sẽ chia sẻ tài nguyên vô tuyến với người dùng khác.Nếu các điều kiện vô tuyến kém hơn tối ưu hoặc có nhiễu từ những người dùng khác, tốc độ dữ liệu giao diện vô tuyến sẽ nhỏ hơn tốc độ dữ liệu đỉnh.Ngoài ra, một số gói dữ liệu có thể bị mất, trong trường hợp đó cần phải truyền lại dữ liệu thiếu; điều này là giảm hơn nữa tốc độ dữ liệu hiệu dụng khi nhìn từ các lớp giao thức cao hơn.Thêm vào đó, tốc độ dữ liệu hiệu dụng bị giảm hơn nữa khi khoảng cách từ tế
bào tăng lên (do điều kiện vô tuyến kém hơn ở rìa tế bào).Tốc độ dữ liệu trải nghiệm bên trên lớp MAC, sau khi chia sẻ kênh với các người dùng khác, được gọi là thông lượng người dùng.
Giao thức điều khiển truyền dẫn (TCP) – giao thức tại lớp vận tải – được sử dụng chhung với lưu lượng IP.Tuy nhiên, do cái đó gọi lại thuật toán khởi động chậm, nhạy cảm với độ trễ trong mạng nên nó đặc biệt thiên về gây ra trễ cho các file nhỏ.Thuật toán khởi động chậm nhằm để đảm bảo rằng tốc độ truyền gói từ nguồn không vượt quá khả năng các nút mạng và các giao diện.
Độ trễ mạng, về nguyên tắc là số đo thời gian cần thiết để gói truyền từ khách hàng đến server và ngược lại, có tác động trực tiếp đến hiệu suất với TCP. Do đó, mục tiêu thiết kế quan trọng là giảm độ trễ mạng. Một tiêu chuẩn có liên quan đến chất lượng khác (quan điểm người dùng cuối) là thời gian thiêt lập để khởi xướng phiên lướt web chẳng hạn.
3.1.2 Khía cạnh nhà khai thác
Các tài nguyên vô tuyến cần phải được chia sẻ khi trong mạng có nhiều người dùng.Kết quả là tất cả các dữ liệu phải được xếp hàng trước khi nó có thể phát đi; điều này hạn chế tốc độ dữ liệu hiệu quả của mỗi người dùng. Bất chấp thực tế này, các nhà khái thác có thể cải thiện thông lượng hệ thống hoặc tổng số bit trên giây phát đi trên giao điện vô tuyến bằng cách lập lịch các tài nguyên vô tuyến. Số đo chung của hiệu suất hệ thống là “hiệu quả phổ”, là thông lượng hệ thống trên Mhz phổ trong mỗi tế bào của hệ thống.
4G áp dụng các phương pháp lập lịch thông minh để tối ưu hiệu suất, từ quan điểm người dùng cuối và nhà khai thác.
Số đo hiệu suất quan trọng đối với nhà khai thác là số người dùng tích cực có thể kết nối đồng thời. Trên cơ sở tài nguyên hệ thống là hạn chế, vì thế sẽ có sự dung hòa giữa số người dùng tích cực và chất lượng dịch vụ cảm thụ được về thông lượng người dùng.
3.2. Hiệu suất trên cơ sở tốc độ dữ liệu đỉnh và độ trễ
LTE đã được phát triển trong một quá trình ở đó các mục tiêu thiết kế cho các tham số hiệu suất đóng vai trò quan trọng.Một mục tiêu là về tốc độ dữ liệu đỉnh trên giao diện vô tuyến.Các mục tiêu thiết kế nguyên bản cho phiên bản đầu tiên của LTE được lập thành tài liệu trong 3GPP TR 25.913[5]. Khả năng mục tiêu khi hoạt động
trong phân bổ phổ 20 Mhz là tốc độ dữ liệu đỉnh 100 Mbit/s ở đường xuống và 50 Mbit/s ở đường lên. Các con số này giả sử hai anten thu ở đầu cuối cho khả năng DL và 1 anten phát cho khả năng UL. Khả năng về tốc độ dữ liệu đỉnh của tiêu chuẩn LTE đều vượt quá các con số mục tiêu này nhờ dự trữ tốt. LTE phiên bản 8 hỗ trợ các tốc độ dữ liệu đỉnh 300 Mbit/s ở DL và 75 Mbit/s ở UL bằng cách sử dụng ghép không gian bốn lớp (4x4 MIMO) ở DL cà 64QAM ở cả DL và UL. Với những giả thiết trong mục tiêu thiết kế - tức là ghép không gian hai lớp – tốc độ dữ liệu đỉnh DL là 150 Mbit/s, vẫn cao hơn đáng kể so với mục tiêu.
Các mục tiêu thiết kế cho LTE phiên bản 10 (“LTE-Advanced”) được diễn tả trong tài liệu 3GPP TR 36.913[7], dựa trên các mục tiêu thiết lập bởi ITU-R[6]. Không có mục tiêu tốc độ dữ liệu đỉnh tuyệt đối được thể hiện cho LTE phiên bản 10; thay vào đó nó được thể hiện so với dải thông kênh như hiệu quả phổ đỉnh, với mục tiêu là 15 bit/s/Hz cho đường xuống và 6.75 bit/s/Mhz cho đường lên [6]. LTE phiên bản 10 vượt quá những con số này bằng dự trữ tốt, như thể hiện trong Bảng bên dưới. Hiệu suất phổ đỉnh của LTE[TR 36912]
Bảng 3.2
Hiệu quả phổ đỉnh Yêu cầu ITU [bit/s/Hz] Thực hiện ở LTE Phiên bản 8 Phiên bản 10 FDD TDD FDD TDD Đường xuống 15 15.3 15.0 30.6 30.0 Đường lên 6.75 4.2 4.0 16.8 16.0
Các giả định để thu được những con số hiệu quả phổ đỉnh là các triển khai với 0 MHz dải thông kênh, 8x8 MIMO trong đường xuống, và 4x4 MIMO trong đường lên.
Yêu cầu ITU-R đối với hiệu quả phổ đỉnh đường xuống trong thực tế được thực hiện bởi LTE phiên bản 8, giả sử 4x4 MIMO trong đường xuống [7].
Mục tiêu ITU-R cho độ trễ trong [8] được thiết lập với một định nghĩa khác với trong Bảng 3.2. Thay vì độ trễ hai chiều, có một mục tiêu 10 ms cho độ trễ một chiều trong cả hai đường xuống và đường lên.Độ trễ một chiều được định nghĩa là thời gian vận chuyển một chiều giữa một gói hiệ có tại lớp IP trong trạm gốc người dùng và sự sẵn có của gói này tại lớp IP trong thiết bị đầu cuối của người dùng.Và
ngược lại, Điều này đạt được với một dự trữ tốt cho LTE, nơi mà đỗ trễ đạt được là 4 ms cho LTE TDD.
3.3 Đánh giá hiệu suất của 4G
Một phần quan trọng của việc đệ trình LTE phiên bản 10 lên IUT-R như một ứng cử viên cho IMT-advanced là đánh giá hiệu suất của hiệu quả phổ. Các yêu cầu kỹ thuật được thiết lập bởi Báo cáo ITU-R M.2134[6] và phương pháp đánh giá chi tiết được miêu tả trong Báo cáo ITU-R M.2135 [8].
Đối với các công việc về LTE phiên bản 10, 3GPP thực hiện một chiến dịch mô phỏng lớn với đầu vào từ một số thành viên 3GPP.Các con số hiệu suất kết quả hình thành phần thiết yếu của đệ trình LTE-Advanced như là một ứng cử viên cho IMT-Advanced và được báo cáo chi tiết trong 3GPP TR 36.912[7]. Ngoài các tiêu chí đánh giá của ITU-R, một môi trường thử nghiệm bổ sung với các mục tiêu hiệu suất cao hơn so với mục tiêu được thiết lập bởi ITU-R được xác định trong 3GPP. Các con số hiệu suất cho môi trường bổ sung này cũng được báo cáo trong [7].
Việc đánh giá dựa trên phương pháp ITU-R và các giả định được trình bày trong [9] và cũng được phác họa dưới đây.Việc đánh giá được dựa trên mô phỏng hệ thống với thời gian năng động, ở đó người dùng giảm xuống một các độc lập với phân bố đều trên một hệ thống mô phỏng LTE với một số lượng lớn các tết bào.Các mô phỏng bao gồm chi phí cho kênh điều khiển và các mô hình thời gian năng động của các kênh phản hồi. Với mức độ chi tiết áp dụng cho các mô hình giao thức và các giả định mô phỏng được sử dụng cho việc đánh giá mô tả dưới đây, tiềm năng công nghệ của LTE phiên bản 10 được chứng minh, ngoài việc cho thấy các yêu cầu về hiệu suất IMT-Advanced đều được vượt quá. Đánh giá chi tiết về LTE phiên bản 8 so với phiên bản trước đó của 3GPP HSPA có thể tìm thấy trong [10,11].
3.3.1 Các mô hình và các giả thiết
Mục này trình bài các mô hình và các giả định được sử dụng cho việc đánh giá trong [9].Tóm tắt các môi trường thử nghiệm được đưa ra trong Bảng 3.2.và các giả định cho các đặc tính của hệ thống LTE-advanced được đưa ra trong Bảng 3.3
Nôi dung
Môi trƣờng thử nghiệm Trong nhà Tế bào Micro Phủ sóng cơ
bản thành phố Tốc độ cao Kịch bản triển khai Hostpot trong nhà Micro thành thị Macro thành thị Macro nông thông
Mô hình kênh InH Umi Uma Rma
Tấn số sóng mang 3.4 GHz 2.5 GHz 2.0 GHz 0.8 GHz Khoảng cách giữa các vị trí trạm gốc 60 m 200 m 500 m 1732 m Vận tốc máy di động 3 km/h 3 km/h 30 km/h 120 km/h Phân bố người dùng 100% trong nhà 50% trong nhà, 50% ngoài nhà 100% ngoài nhà 100% ngoài nhà Độ cao anten BS 6 m 10 m 25 m 35 m
Tăng ích anten BS 0 dBi 17 dBi 17 dBi 17 dBi
Công suất ra BS 21 dBm / 20 MHz 44 dBm / 20 MHz 49 dBm / 20 MHz 49 dBm / 20 MHz Công suất ra UE 21 dBm 24 dBm 24 dBm 24 dBm
Việc đánh giá được thực hiện trong bốn kịch bản triển khai, mỗi kịch bản tương ứng với một môi trường thử nghiệm khác nhau được xác định bởi ITU-R[8];
+ Hotspot trong nhà: Kịch bản triển khai cho môi trường trong nhà, có các tế bào văn phòng hoặc điểm nóng (hotspot) đã cách lý cho người dùng văn phòng hoặc cho người đi bộ, với mật độ người sử dụng cao và thông lượng người sử dụng cao.
+ Đô thị micro: Kịch bản triển khai cho môi trường tế bào micro, có các tế bào nhỏ với vùng phủ sóng ngoài trời và ngoài trời đến trong nhà cho người đi bộ và người sử dụng xe cộ chậm, được cung cấp bởi các trạm cơ sở ngoài trời thấp hơn mái nhà. Nó có lưu lượng cao trên một đơn vị diện tích và sẽ hạn chế bởi nhiễu.
+ Đô thị Macro: Kịch bản triển khai cho môi trường đô thị phủ sóng cơ bản, có tế bào lớn và phủ sóng liên tục cho từ người đi bộ lên đến người sử dụng xe cộ
nhanh chóng, cung cấp bởi các trạm gốc ngoài trời cao hơn mái nhà. Nó sẽ hạn chế bởi nhiễu và có điều kiện lan truyền gần như là không nhìn thẳng.
+ Macro nông thông: Kịch bản triển khai cho môi trường tốc độ cao, có các tế bào lớn và phủ sóng liên tục cho người sử dụng xe cộ và tầu hỏa tốc độ cao. Bó sẽ bị hạn chế bởi tạp âm hoặc nhiễu.
Mỗi kịch bản được miêu tả trong [8] tương ứng với một bộ tham số triển khai, bao gồm cả mô hình truyền sống chi tiết cho truyền sóng LOS, không LOS, vằ/hoặc ngoài trời đến trong nhà. Các mô hình kênh dựa trên là cái gọi là mô hình kênh WINNER II[12], là một mô hình kênh không gian (SCM) áp dụng cho mô phỏng MIMO[13]. Thông tin chi tiết của môi trường kiểm tra và các thông số triển khai được đưa ra trong Bảng 3.2
Bảng 3.3 Các đặc trưng của hệ thống 4G
Đặc trƣng tổng quan
Giả thiết phương pháp song công
FDD TDD: cấu hình 1, chiều dài DwPTS/GP/UpPTS đặt theo
12/1/1 symbol OFDM
Phân bố phổ 10 MHz DL+ 10 MHz UL cho FDD, 10 MHz cho TDD Dải thông kép cho trường hợp InH
Cấu hình anten tại trạm gốc (BS)
Anten cùng phân cực đứng cách nhau 1 khoảng 4 bước sóng (InH) hoặc 0.5 bước sóng (Umi, Uma, Rma)
Cấu hình anten tại UE Cùng phân cực đứng, cách nhau 0.5 bước sóng Đồng bộ mạng
Đồng bộ, không sử dụng một cách rõ ràng trừ khi để tránh nhiễu UE-UE và BS-BS cho TDD
Đặc trưng chi tiết cho giao diện vô tuyến và các mô hình Bộ lập lịch
DL: công bằng tỷ lệ trong thời gian và tần số; UL: ghép kênh trên miền tần số dựa trên chất lượng
Sơ đồ truyền dẫn đường xuống
InH: chế độ truyền 4; ghép không gian thích nghi hạng tiền mã hóa dựa trên sách mã vòng kín
Umi, Uma, Rma: chế độ truyền 5; tạo búp sóng kết hợp(trong tế bào) với MU-MINO
Sơ đồ truyền dẫn đường lên 1 anten TX, 4 anten RX, không MU-MINO Kiểu máy thu 1 anten TX, 4 anten RX, không MU-MIMO Điều khiển công suất đường
Sơ đồ ARQ lai
Vòng hở với bù phần tổn hao đường truyền; các tham số chọn theo kịch bản triển khai. Sự tăng tạp âm hiệu dụng thấp hơn 10dB
Thích nghi đường truyền Độ dư tăng dần, đồng bộ, thích nghi Ước lượng kênh Không lý tường, dựa trên phản hồi bị trễ
Lỗi kênh phân phối
Không lý tưởng; báo cáo trạng thái kênh không lý tường DL; phản hồi không lỗi các báo cáo; trễ báo cáo 6 ms; chu kỳ báo cáo 5 ms. Chất lượng UR đánh giá từ PUSCH, trễ 6 ms, chu kỳ thăm dò 20 ms
Phí tổn kênh điều khiển
DL: 3 symbol OFDM trên khung con UL: 4 khối tài nguyên
Phí tổn cho kênh điều khiển chung( đồng bộ, quảng bá và truy nhập ngẫu nhiên, ~1% cho 10MHz) chưa được khấu trừ
Phương pháp mô phỏng là “thời gian năng động”, trong đó các hệ thống trạm gốc và thiết bị đầu cuối được mô phỏng trong một khung thời gian hạn chế (20-100 giây).Điều này được lặp lại để tạo ra một lượng mẫu đạt đến độ tin cậy thống kê đủ. Đối với mỗi mô phòng, các thiết bị đầu cuối được bố trí ngẫu nhiên trên một mô hình của trạm vô tuyến và các kênh vô tuyến giữa mỗi trạm gốc và cặp anten thiết bị cuối được mô phỏng theo sự lan truyền và mô hình fading. Một mô hình lưu lượng bộ đệm đầy với trung bình 10 người trên mỗi tế báo được giả định.Điều này dẫn đến hệ thống đạt được 100% tải tối đa của hệ thống.
Dựa trên những thể hiện kênh và nhiễu tích cực, một tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âm (SINR) được tính cho mỗi anten thhu thiết bị đầu cuối (hoặc trạm gốc).Các giá trị SINR này sau đó được ánh xạ lên xác suất lỗi khối cho điều kiện chế và mã hóa áp dụng cho mỗi người dùng. MIMO và kiểu điều chế và mã hóa theo tiêu chuẩn LTE được lựa chọn dựa trên thông tin phản hồi bị trễ. Truyền lại được mô hình hóa một cách rõ ràng và thông lượng cho mỗi người dùng hoạt động i sẽ là số bit nhận được một cách rõ ràng và thông lượng cho mỗi người dùng hoạt động i sẽ là số bít nhận được một cách chính xác Xi cho tất cả người sử dụng, lấy trung bình trên tất cả các tế bào và chia cho thời gian mô phỏng T. Các thông kê được thu thập từ mỗi lần chạy mô phỏng và sau đó các thiết bị đầu cuối mới được bố trí ngẫu nhiên cho mẫu tiếp theo.
3.3.2 Tiêu chí đánh giá
ITU-R xác định hai yêu cầu liên quan đến hiệu quả của giao diện vô tuyến để dánh giá hiệu suất của các công nghệ giao diện vô tuyến (RIT: Radio-Interface Technologies) ứng viên của IMT-Advanced [6]. Thứ nhất là hiệu quả phổ tế bào, xác định quan điểm nhà khai thác, và thứ hai là hiệu quả phổ rìa tế bào, xác định quan điểm người dùng đầu cuối.
Hiệu quả phô tế bào là tổng thông lượng trên tất cả các người dùng, chia trung bình cho tất cả các tế bào và chia cho dải thông kênh. Chi tiêu này liên quan đến thông lượng của hệ thống trong Hình 3.1 và là số đo “dung lượng” tổng cực đại có trong hệ thống cần chia sẻ giữa các người dùng; đơn vị đo là bit/s/Hz/tế bào.
Hiệu quả phổ tế bào ɳ được xác định như sau:
ɳ = 𝑋𝑖
𝑁 𝑖=1
𝑇. 𝜔. 𝑀
ở đây Xi là số bit thu được chính xác đối với người dùng i trong hệ thống có N người dùng và M tế bào, ω là dải thông kênh và T là thời gian trên đó thu được các bít dữ liệu.
Hiệu quả phổ người dùng rìa tế bào dựa trên sự phân bố giữa các người dùng của thông lượng người dùng chuẩn hóa (xem Hình 3.1), được xác định như thông lượng người dùng trung bình trên khoảng thời gian xác định chia cho dải thông kênh