THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG MẠNG LTE

THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG MẠNG LTE

Chương này ngoài việc giải thích định nghĩa của bộ lập lịch sẽ đưa ra chi tiết những thuật toán lập lịch cho đường downlink sử dụng trong mạng LTE. Nói

chung, lập lịch về cơ bản là quá trình đưa ra quyết định bởi 1 bộ lập lịch liên quan đến việc phân bố những nguồn tài nguyên (thời gian, tần số) giữa các người dùng trong vùng phủ của 1 eNodeB và trong từng khoảng thời gian xác định. Trong mạng LTE, việc lập lịch được thực hiện bởi eNodeB bằng một bộ lập lịch động. Lập lịch gói tin là 1 trong những chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến trong ma ̣ng LTE. Hiệu suất của hệ thống và trải nghiệm của cá nhân người dùng cuối sẽ phụ thuộc vào điều kiện lan truyền, các kết quả đo phản hồi từ thiết bị di động và thuật toán lập lịch của eNodeB. Và cũng giống như trong HSPA, hay WiMax, thuật toán lập lịch chưa được xác định theo 1 tiêu chuẩn cụ thể nào mà nó dựa vào từng nhà cung cấp eNodeB áp dụng khác nhau.

Như đã nhắc tới ở phần trước, LTE định nghĩa độ dài 1 subframe = 1ms là khoảng thời gian truyền dẫn TTI. Có nghĩa là sau từng 1ms việc phân bố tài nguyên có thể thay đổi dựa trên nhiều yếu tố bao gồm chỉ số chất lượng kênh CQI, yêu cầu về QoS, trạng thái buffer, nhiễu,… Dựa vào những yếu tố này, nếu chất lượng kênh truyền càng tốt thì sẽ có thể truyền tốc độ càng cao, tuy nhiên để quyết định người sử dụng nào được ưu tiên truyền dựa trên nhiều tiêu chí cụ thể như:

 Ưu tiên người dùng có kênh truyền tốt nhất : đây chính là lý do chính cho lập lịch để làm tăng tốc độ.

 Tuy nhiên sẽ có người có kênh truyền kém hơn, vẫn cần phải duy trì một tốc độ nhất định, không để dừng truyền hoàn toàn gây đứt kết nối.

 Ngay cả với một người dùng đứng yên, cách eNodeB một khoảng cố định thì do hiện tượng fading (thăng giáng tín hiệu 1 cách ngẫu nhiêu), bộ lập lịch cũng ưu tiên truyền khi tín hiệu "thăng" và giảm khi tín hiệu "giáng", lợi dụng hiện tượng fading (vốn được coi là luôn xấu) làm tăng tốc độ truyền.

 Lịch trình tùy theo yêu cầu tốc độ của người dùng (và cả vấn đề gói cước): dù kênh truyền tốt nhưng người dùng không dùng gì thì cũng chỉ duy trì kết nối thôi, không cần phải ưu tiên.

 Một vấn đề nữa là tùy theo khả năng của thiết bị thu và thiết bị phát.Tốc độ đường truyền không cần vượt quá khả năng thu phát của thiết bị.

Đáp ứng kênh truyền LA

Ngoài ra chúng ta còn phải chú ý đến một yếu tố nữa đó chính là quá trình lựa chọn các tham số truyền dẫn và mô hình điều chế và mã hóa, hay còn được gọi là quá trình đáp ứng kênh truyền LA. Việc đáp ứng kênh truyền sẽ thay đổi dựa trên những điều kiện kênh truyền tức thời. Trong điều kiện kênh truyền thuận lợi, tốc độ dữ liệu tăng và ngược lại. Để điều chỉnh tốc độ này, LA sử dụng một bộ điều chế và mã hóa thích nghi AMC để tìm ra cách điều chế và mã hóa kênh truyền sao cho phù hợp nhất. Khi kênh truyền tốt, eNodeB sẽ truyền xuống với tỉ lệ mã hóa cao hơn và điều chế bậc cao còn khi kênh truyền xấu (điện thoại ở xa eNode B, thời tiết xấu, có che chắn hay di chuyển tốc độ cao ...) thì sẽ mã hóa tỉ lệ thấp đi (khả năng sửa lỗi tăng lên) và điều chế thấp đi (tỉ lệ lỗi ít đi). Quá trình đáp ứng kênh truyền được thể hiện như trong hình 2.1.

Hình 2.1.Đáp ứng kênh truyền LA

Về nguyên tắc, trạm cơ sở định kỳ nhận được thông tin từ trạm gốc thông qua chỉ số chỉ thị chất lượng kênh truyền CQI. Chỉ số CQI thể hiê ̣n điều kiện kênh truyền được phản hồi lại bởi UE về trạng thái kênh, thông báo đến eNodeB về

những thông số như đáp ứng kênh truyền mà UE có thể hỗ trợ, loại bộ thu UE, số lượng antennas và nhiễu trong một khoảng thời gian xác định. CQI càng cao thì kênh truyền được cho là càng tốt. Vì vậy dựa vào giá trị CQI nhận được từ trạm gốc có thể thực hiện được việc đáp ứng kênh truyền. Trạm gốc thông báo giá trị CQI đo được đến trạm gốc bằng cách ánh xạ những giá trị SNR đo được theo như hình 2.2. Trong bộ mô phỏng LTE, việc ánh xạ giá trị SNR và CQI được xấp xỉ thông qua 1 hàm tuyến tính có dạng như hình 2.2.

Hình 2.2.Ánh xạ giữa giá trị SNR và CQI

Bảng 2.1 đưa ra 15 giá trị thể hiện chất lượng kênh truyền CQI tương ứng với từng loại điều chế và từng tốc độ mã hóa.

Đáp ứng kênh truyền cùng với việc lập lịch tài nguyên sẽ tối đa hóa dung lượng của cell. Hiện nay, tần số và kênh truyền là những nguồn tài nguyên có hạn và đang dần khan hiếm, vì vậy tầm ảnh hưởng và sự quan trọng của việc lập lịch là rất lớn trong mạng LTE. Việc phân bố lượng tài nguyên vô tuyến hợp lý đến người dùng sẽ đem lại hiệu suất của hệ thống lớn. Khi mà 3GPP còn chưa tiêu chuẩn hóa bất kỳ 1 thuật toán lập lịch nào, chúng ta có thể tự do lựa chọn và thực hiện bất kỳ thuật toán thỏa mãn chất lượng dịch vụ QoS của chúng ta. Khi lựa chọn và thiết kế 1 thuật toán lập lịch, có rất nhiều yếu tố như mức độ QoS mong muốn, lượng tài nguyên dữ liệu và trạng thái kênh truyền luôn luôn phải được ghi nhớ. Vấn đề trở nên phức tạp với sự xuất hiện của người dùng với những yêu cầu khác nhau liên quan đến băng thông, sai số cho phép của trễ và độ tin cậy.

Hình 2.3.Những chức năng lớp 2 cho việc lập lịch gói tin động, đáp ứng kênh truyền và quản lý HARQ

Hiện nay có rất nhiều những phương pháp lập lịch được phát triển để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Tuy nhiên trong phạm vi luận văn này, em xin được tập

trung phân tích 3 thuật toán cơ bản đã được thực hiện mô phỏng trong môi trường LTE bao gồm:

 Thuật toán xoay vòng

 Thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất  Thuật toán cân bằng

2.1.Thuật toán xoay vòng

Phương pháp lập lịch xoay vòng, hay còn được gọi là thuật toán Round Robin (RR), dựa trên ý tưởng về việc phân bố cân bằng, cho phép người dùng thay phiên nhau trong việc sử dụng tài nguyên chung mà không đưa những điều kiện kênh truyền hiện thời vào tính toán. Nó hoạt động bằng cách phân bố các khối tài nguyên PRBs đến các UEs luân phiên nhau mà không tính toán đến chỉ số CQI của kênh truyền. Vì vậy người dùng được cấp phát tài nguyên một cách cân bằng nhau. Ví dụ hệ thống có 4 user U1, U2, U3, U4, thuật toán này sẽ cấp phát theo trật tự lần lượt từ U1, U2, U3, U4, U1 và U2,…Nếu có 1 user nào rời khỏi hệ thống nó sẽ bắt đầu sắp xếp lại ưu tiên user xếp ngay sau nó đứng đầu tiên ở hàng đợi. Thuật toán được minh họa bởi hình 2.5. Chúng ta có thể thấy dù chất lượng kênh truyền của user tốt hay xấu, khoảng thời gian mà user chiếm kênh truyền là cân bằng nhau.

Hình 2.5.Sơ đồ thuật toán Round Robin

RR có thể được xem như là một thuật toán lập lịch công bằng vì cùng lượng tài nguyên vô tuyến (cùng khoảng thời gian and/or số lượng RBs) được cấp phát cho từng người dùng. Tuy nhiên sẽ là không công bằng trong trường hợp cung cấp cùng một chất lượng dịch vụ cho tất cả đường truyền dẫn, kể cả các đường truyền kết nối với chất lượng kênh xấu. Ưu điểm chính của thuật toán lập lịch này là nó đảm bảo sự cân bằng cho tất cả người dùng và tương đối dễ thực thi tuy nhiên với việc phân bố tài nguyên vô tuyến cho người dùng mà không quan tâm đến thông tin phản hồi về kênh truyền, nó sẽ làm giảm toàn bộ thông lượng của hệ thống.

2.2. Thuật toán Chỉ thị chất lƣợng kênh truyền tốt nhất

Khi sử dụng thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất, hay còn gọi là thuật toán Best CQI, tài nguyên hệ thống RBs được phân bố đến UE có chất lượng kênh truyền tốt nhất dựa vào chỉ thị chất lượng kênh truyền CQI phản hồi từ chính các UE.

Giá trị CQI càng cao nghĩa là kênh truyền càng tốt. Vì vậy để thực hiện công việc này một cách thích hợp, các UE cần phải phản hồi chất lượng kênh truyền liên tục tới các eNodeB. Thuật toán này có tác dụng cải thiện thông lượng người dùng bằng cách gán các RBs đến UE mà có chất lượng kênh truyền tốt làm tăng hiệu suất tốc độ dữ liệu đỉnh của nó. Để hình dung rõ hơn có thể tham khảo quá trình truyền sau:

Hình 2.6.Thuật toán Best CQI

Thuật toán Best CQI có thể làm tăng dung lượng của cell nhưng đổi lại phải trả giá bằng sự cân bằng của cả hệ thống. Trong mô hình mạng sử dụng thuật toán này, những UEs đặt ở xa eNodeB hoặc có chất lượng kênh truyền không tốt sẽ khó có thể được chia sẻ tài nguyên hệ thống. Quá trình thực hiê ̣n lâ ̣p li ̣ch có thể xem trong sơ đồ thuật toán sau:

Hình 2.7. Sơ đồ thuật toán Best CQI

2.3. Thuật toán cân bằng

Thuật toán cân bằng hay còn được gọi là thuật toán Proportional Fair (PF). Có khá nhiều phương pháp để thực hiện thuật toán PF dựa trên những giá trị mà nó đưa vào tính toán. Mục tiêu chính của thuật toán này đó chính là kết hợp giữa 2 thuật toán Round Robin và Best CQI, tức là đạt được sự cân đối giữa việc tối ưu hóa thông lượng của cell và sự cân bằng của hệ thống bằng cách đảm bảo tất cả người dùng đạt được mức QoS tối thiểu. Sau đây, em xin đưa ra một thuật toán lập lịch đảm bảo mục đích như vậy. Tuy nhiên trước đó em xin nhắc lại môt số định nghĩa về kiến trúc tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE, 1 frame LTE được chia thành 10 subframe có độ dài 1ms, 1 subframe lại chứa 2 slot có độ dài 0.5ms và 1 RB là đơn vị tài nguyên vô tuyến nhỏ nhất được cấp phát bởi bộ lập lịch ở eNodeB.

Thuật toán mới sẽ được thực hiện bằng cách cấp phát RB ở slot đầu tiên của từng subframe đến người dùng có chất lượng kênh truyền CQI tốt nhất, trong khi đó RB ở slot thứ 2 sẽ được gán luân phiên nhau đến từng UE. Bắt đầu quá trình lập lịch, trạm cơ sở eNodeB sẽ so sánh chỉ số CQI từ các trạm gốc phản hồi lên và chọn UE nào có CQI là tốt nhất và cấp phát RB tại slot đầu tiên của subframe đầu tiên cho UE này. Tại slot thứ hai, các UE được lập lịch vòng tròn luân phiên nhau. Sau

đó, tiếp tục slot đầu tiên của subframe thứ 2 được gán cho UE có CQI cao hơn còn tại slot thứ hai sẽ gán cho UE theo vòng. Quá trình này sẽ được lặp đi lặp lại.

Hình 2.8.Sơ đồ thuật toán Proportional Fair

Sơ đồ thuật toán trên chỉ là 1 trong số những phương pháp hiện nay để thực hiện thuật toán Proportional Fair. Một thuật toán như vậy được thiết kế để làm tốt hơn việc đảm bảo thông lượng người dùng trung bình cũng như là phân bố công bằng với hầu hết người dùng mà vẫn đạt được yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS tối thiểu trong suốt quá trình lập lịch.

Chương 3

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

3.1. Chƣơng trình mô phỏng LTE System Level Simulator

Đây là một chương trình mô phỏng được phát triển bởi Đại học Vienna (Áo) chuyên dùng để mô phỏng tính toán hiệu suất mạng LTE.Họ đã phát triển 2 chương trình nhằm mô phỏng lớp vật lý LTE Link Level Simulator và lớp mạng LTE System Level Simulator. Trong khi mô phỏng lớp vật lý cho phép nghiên cứu các vấn đề như Multiple Input Multiple Output (MIMO), mã hóa và giải mã kênh hay mô hình lớp vật lý thì lớp mạng tập trung vào giải quyết các vấn đề liên quan đến lập lịch, quản lý di động và quản lý nhiễu.

Chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator đưa ra một mức độ linh hoạt cao. Về việc thực hiện, sử dụng lập trình hướng đối tượng OOP được thực hiện trên bản Matlab Release 2012b. Việc có 1 module code với cấu trúc dữ liệu rõ ràng dựa trên hướng đối tượng làm cho cấu trúc bộ mô phỏng có tổ chức, dễ hiểu và có khả năng phát triển, những thuật toán và hàm mới có thể dễ dàng thêm mới và kiểm tra. Tuy nhiên hạn chế trong chương trình cũng như trong luận văn của em chính là việc chưa tính toán đến mô phỏng dịch vụ của user mà đơn thuần là mô phỏng truyền tải dữ liệu dạng data.

M_file chính trong chương trình LTE System Level Simulator là LTE_sim_main.m, tuy nhiên cũng có thể chạy mô phỏng thông qua 1 batch file là LTE_sim_laucher.m. File chạy này sẽ thực hiện các nhiệm vụ chính sau:

 Load một file cấu hình được lựa chọn.

 Kích hoạt và chạy file mô phỏng chính LTE_sim_main.m

Những thông số mô phỏng thì được load từ một file script có dạng LTE_load_params_*.m. Tuy nhiên nếu muốn thay đổi một số thông số của mạng chúng ta có thể định nghĩa chúng ở ngoài file chạy LTE_sim_main_launcher_examples.m như sau:

<LTE_sim_main_launcher_examples.m>

close all force; clc;

clear all clear global; clear classes;

simulation_type = 'tri_sector_tilted'; % Possible simulation types now:

% - 'tri_sector' % -'tri_sector_tilted', 'tri_sector_tilted_4x2', 'tri_sector_tilted_4x4' % - 'tri_sector_plus_femtocells' % - 'six_sector_tilted' % - 'capesso_pathlossmaps' % - 'omnidirectional_eNodeBs' LTE_config = LTE_load_params(simulation_type);

%% If you want to modify something taking as a base the configuration file, do it here: here an example is show that changes the inter-eNodeB distances based on the LTE_load_params_hex_grid_tilted config file.

% Some changes to the base configuration, in case you would need/want them

LTE_config.show_network = 0; LTE_config.nTX = 2; LTE_config.nRX = 2; LTE_config.tx_mode = 4;

LTE_config.scheduler = 'round robin'; % prop fair Sun % round robin % best cqi

% LTE_config.shadow_fading_type = 'claussen'; LTE_config.compact_results_file = true; LTE_config.delete_ff_trace_at_end = true; LTE_config.UE_cache = true; LTE_config.simulation_time_tti = 10; LTE_config.UE_cache_file = 'auto'; LTE_config.adaptive_RI = 0; LTE_config.keep_UEs_still = true; LTE_config.UE_per_eNodeB = 20; LTE_config.scheduler_params.av_window = 20; LTE_config.map_resolution = 10; LTE_config.pregenerated_ff_file = 'auto'; LTE_config.trace_version = 'v1'; % 'v1' for pregenerated precoding. 'v2' for run-time-applied precoding

LTE_config.UE_speed = 5/3.6; LTE_config.inter_eNodeB_distance = 700; output_results_file = LTE_sim_main(LTE_config); simulation_data = load(output_results_file); GUI_handles.aggregate_results_GUI = LTE_GUI_show_aggregate_results(simulation_data); GUI_handles.positions_GUI = LTE_GUI_show_UEs_and_cells(simulation_data,GUI_handles.aggregate_results_ GUI);

Như đã nói ở trên , các cấu hình mô phỏng mô hình mạng mong muốn nằm trong folder simulation_config đươ ̣c go ̣i ra thông qua hàm LTE _load_param khi truyền các biến đầu vào là các mô hình mạng tương ứng:

 tri_sector

 tri_sector_title, tri_sector_title_4x2, tri_sector_tilted_4x4  tri_sector_plus_femtocell

 tri_sector_tilted

Các thông số mô phỏng được định nghĩa như sau:

 LTE_config.show_network: cấu hình số lượng plot được xuất ra

o 0: không xuất ra plot

o 1: xuất ra mô ̣t số plot

o 2: xuất ra tất cả các plot . Tuy nhiên điều này có thể làm cho tốc đô ̣ mô phỏng châ ̣m đi đáng kể.

 LTE_config.frequency: tần số mà hê ̣ thống hoa ̣t động (Hz)

 LTE_config.bandwidth: băng thông hê ̣ thố ng. Bao gồm những giá tri ̣ 1,4Mhz; 3Mhz; 5Mhz; 10Mhz; 15Mhz và 20Mhz tương ứng với lượng tài nguyên vô tuyến là 6, 15, 25, 50, 75 và 100 (RBs).

 LTE_config.nTX: số lươ ̣ng antennas phát  LTE_config.nRX: số lươ ̣ng antennas thu.

 LTE_config.tx_mode: mode truyền đươ ̣c đi ̣nh nghĩa trong [7]

o 2: Transmission Diversity (TxD)

o 3: Ghép kênh không gian vòng hở OLSM

o 4: Ghép kênh không gian vòng kín CLSM

 LTE_config.simulation_time_tti: đô ̣ dài thời gian mô phỏng

 LTE_config.inter_eNodeB_distance: Khoảng cách giữa các eNodeBs (m)  LTE_config.eNodeB_tx_power tần số phát lớn nhất của eNodeB (W).

o 43 dBm với sóng mang 1,25; 5Mhz

o 46 – 49 dBm với sóng mang 10; 20 Mhz  LTE_config.UE_speed: tốc đô ̣ UE di chuyển (m/s)

 LTE_config.scheduler: thuâ ̣t toán lâ ̣p li ̣ch được sử du ̣ng . Hỗ trợ những bô ̣ lâ ̣p li ̣ch sau:

o round robin

o best cqi

o prop fair Sun [8]

 LTE_config.UE_per_eNodeB: số lươ ̣ng UEs/cell.

 LTE_config.macroscopic_pathloss_model_settings.environment:

o free space: môi trường truyền sóng trong không gian tự do

o urban: môi trường truyền sóng trong đô thi ̣