[email protected]
New Member
Luận văn: Đánh giá hiệu năng của một số thuật toán lập lịch trên đường downlink trong mạng LTE : Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử- viễn thông: 60 52 02 03
Nhà xuất bản: ĐHCN
Ngày: 2013
Chủ đề: Thuật toán lập lịch
Mạng LTE
Kỹ thuật điện tử
Miêu tả: 54 tr. + CD-ROM
Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử -- Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2013
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE ................................................. 12
1.1. Một số đặc trưng của mạng LTE.............................................................. 12
1.1.1. Tốc độ dữ liệu đỉnh ........................................................................... 12
1.1.2. Độ trễ ................................................................................................ 13
1.1.3. Thông lượng người dùng................................................................... 13
1.1.4. Khả năng di động.............................................................................. 13
1.1.5. Sự linh hoạt của băng thông và phổ tần số....................................... 13
1.1.6. Vùng bao phủ .................................................................................... 14
1.2. Tổng quan về đường downlink LTE........................................................ 14
1.2.1. cách đa truy nhập OFDMA ................................................. 14
1.2.2. Kiến trúc khung gói tin...................................................................... 15
1.2.3. Kênh vật lý downlink LTE................................................................. 17
1.3. Mô hình kênh truyền đa anten MIMO ..................................................... 21
Chương 2: THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG MẠNG LTE ................ 23
2.1.Thuật toán xoay vòng................................................................................ 27
2.2. Thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất ................................. 28
2.3. Thuật toán cân bằng ................................................................................. 30
Chương 3: KẾ T QUẢ MÔ PHỎ NG............................................................ 32
3.1. Chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator........................... 32
3.2. Các kịch bản và kết quả mô phỏng .......................................................... 35
3.2.1. So sánh hiệu năng giữa các thuật toán lập lịch sử dụng chung
cấu hình........................................................................................................ 36
3.2.2.Thay đổi vâṇ tốc của ngườ i dù ng ....................................................... 44
3.2.3.Thay đổi mô hình truyền MIMO......................................................... 45
3.2.4.Thay đổi số lươṇ g ngườ i dù ng UEs/cell ............................................ 47
3.2.5.Thay đổi băng thông hệ thống ........................................................... 50
KẾ T LUÂṆ .................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 53
LỜ I MỞ ĐẦ U
Thế hệ di động thứ 4 LTE là một cuộc cách mạng của UMTS được chuẩn
hóa bởi 3GPP Rel8 để theo kịp sự phát triển của mạng vô tuyến băng thông rộng
với dung lượng và tốc độ truyền tải dữ liệu mức cao. LTE được kích hoạt trên một
số thiết bị di động như smartphones, laptops, tablets giúp người dùng truy nhập
Internet với tốc độ cao và sử duṇ g đa dịch vụ. Về mặt kỹ thuật, LTE có thể hoạt
động trên dải tần rộng từ 1.4Mhz lên đến 20Mhz, cải thiện dung lượng và vùng phủ
của hệ thống, hỗ trợ truyền đa anten MIMO, giảm chi phí trên đường truyền và có
thể tích hợp với các hệ thống mạng di động đang tồn tại sẵn.
Trong khi đó, khái niệm về lập lịch cơ bản là quá trình ra quyết định bởi 1 bộ
lập lịch liên quan tới việc phân bổ tài nguyên trong cả miền thời gian và tần số đến
tất cả người dùng trong vùng phủ của 1 trạm cơ sở . Các thuật toán xoay vòng
Round Robin, thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất Best CQI và thuật
toán cân bằng Proportional Fair là những thuật toán lập lịch sẽ được phân tích và
mô phỏng trong luận văn này. Những thuật toán này được mô phỏng thông qua
chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator [3] và dựa vào kết quả để so
sánh sự ảnh hưởng đến thông lượng và sự cân bằng của hệ thống nhằm giúp người
đọc hiểu được ưu nhược điểm của từng thuật toán lập lịch trong hệ thống mạng
LTE.
Dễ dàng nhâṇ thấy hiện nay, tần số và kênh truyền là những nguồn tài nguyên
có hạn và đang dần khan hiếm , vì vâỵ việc lập lịch nhằm phân bố hơp̣ lý nguồn tài
nguyên này đến người dùng là vô cùng q uan troṇ g trong maṇ g vô tuyến, đặc biệt là
mạng di động thế hệ mới LTE. Chính vì vậy, em lưạ choṇ luâṇ văn của mình sẽ trình
bày về vấn đề “ Đánh giá hiệu năng của một số thuật toán lập lịch trên đƣờng
downlink trong mạng LTE”.
Khảo sát một số luận văn đã được thực hiện trong và ngoài nước
[1][2][4][5], chúng ta sẽ có thể thấy đóng góp của luận văn này. Thay thế cho việc
các nghiên cứu trước đây chỉ mô phỏng và đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập
lịch trong mô hình truyền SISO, băng thông hạn chế, người dùng không di động,
luận văn này sẽ đề cập đến việc sử dụng mô hình truyền đa anten MIMO, mở rộng
băng thông, tính toán đến cả sự di chuyển của người dùng và đặc biệt sử dụng môi
trường truyền sóng vô tuyến đặc trưng cho mạng LTE qua việc mô phỏng bằng
chương trình LTE System Level Simulator.
Luận văn của em gồm có 3 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về thế hệ
mạng di động LTE. Chương 2 sẽ đưa ra định nghĩa và cách làm việc của bộ lập lịch
cùng giải thuật của một số thuật toán lập lịch trong mạng LTE. Chương 3 đưa ra các
kịch bản cho chương trình mô phỏng và so sánh các kết quả từ đó đánh giá hiệu
năng của hệ thống khi sử dụng các thuật toán lập lịch trên. Cuối cùng sẽ có phần rút
ra kết luận và đưa ra những đề xuất trong tương lai cho luận văn đồng thời liệt kê
những nguồn và tài liệu tham khảo khi thực hiện luận văn.
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE
Trong vòng một vài năm gần đây, chúng ta thấy rằng công nghê ̣ di động sử
dụng băng thông rộng ngày càng trở nên cần thiết khi mà người dùng di đôṇ g ngày
càng trở nên quen thuộc với việc truy nhập băng thông rộng bất cứ nơi nào họ đến,
không chỉ là ở nhà hay nơi làm việc. Để đáp ứng nhu cầu đó, 3GPP đã chuẩn hóa
môṭ công nghê ̣di đôṇ g thế hê ̣mớ i có tên goị LTE vớ i muc̣ tiêu kế thừ a và thay thế
cho maṇ g 2G và 3G hiêṇ nay. LTE đươc̣ hy voṇ g sẽ cung cấp môṭ chất lươṇ g dic̣ h vu ̣
tốt hơn so vớ i các maṇ g từ trướ c đến nay . Mục đích khi 3GPP chuẩn hóa mạng LTE
đó là cung cấp môṭ nền tảng cho sự phát triển công nghê ̣truy nhâp̣ vô tuyến hướ ng
đến tốc độ truyền nhận dữ liệu mức cao , giảm trễ, tăng hiêụ suất phổ tần , sử duṇ g
băng thông linh hoat,̣ tối ưu hóa hiêụ suấthê ̣thống khi ngườ i dùng di chuyển,…
LTE được xem như một giải pháp để sử dụng tốt hơn các ứng dịch và dịch
vụ tiêu tốn rất nhiều băng thông trên thiết bị di động của người dùng hiện nay. Sau
đây chúng ta sẽ điểm qua một số đặc trưng trong hệ thống LTE bao gồm các thông
số hiệu suất của hệ thống, cách đa truy nhập OFDMA trên đường downlink
cũng như mô hình truyền đa anten MIMO được sử dụng cho mạng di đôṇ g LTE.
1.1. Một số đặc trƣng của mạng LTE
1.1.1. Tốc độ dữ liệu đỉnh
LTE hỗ trợ việc tốc độ dữ liệu đỉnh tăng đáng kể một cách nhanh chóng. Tốc
độ đỉnh được hỗ trợ sẽ tỷ lệ vào độ rộng băng tần. Chú ý rằng tốc độ này cũng có thể
phụ thuộc vào số lượng anten truyền và nhận tại UE. Với cấu hình cơ bản như sau:
- Downlink: 2 antenna thu trên UE
- Uplink: 1 antenna phát trên UE
Mạng LTE có thể hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời là 100Mb/s trên băng thông
20Mhz (5bps/Hz) cho đường downlink và 50 Mb/s trên băng thông 20Mhz
(2.5bps/Hz) cho đường uplink.
1.1.2. Độ trễ
Trễ đường truyền kênh người dùng phải ít hơn 5 ms một chiều và thời gian
chuyển tiếp kênh điều khiển phải ít hơn 50ms từ trạng thái ngủ sang trạng thái hoạt
động và ít hơn 100ms từ trạng thái chờ sang trạng thái hoạt động. Đối với mạng
LTE, độ trễ thời gian thực của tín hiệu thấp hơn nhiều so với mạng 2G, 3G. Điều
này cực kỳ quan trọng bởi vì hầu hết các ứng dụng có liên quan đến hình ảnh và
thoại đều dựa trên việc truyền dữ liệu dạng gói giữa mạng di động và thiết bị di
động đầu cuối với nhau. Ví dụ khi gọi quốc tế từ điện thoại di động (có thể thông
qua Skype hay thẻ gọi quốc tế - dạng Voice IP), nếu thời gian trễ của tín hiệu nhỏ
thì ta nghe đầu bên kia nói sớm và ngược lại, hay như với dịch vụ Streaming Video
thì thời gian hiển thị hình ảnh cũng nhanh hơn.
1.1.3. Thông lượng người dùng
Thông lượng người dùng cũng như hiệu suất phổ tần trong mạng LTE cao
hơn so với các thế hệ mạng di động trước đấy. Cụ thể,thông lượng trên đường
downlink cao gấp 3 - 4 lần so với tiêu chuẩn của HSDPA. Còn trên đường uplink,
thông lượng trung bình cũng cao gấp 2 đến 3 lần so với Realease 6 EUL. Chú ý
rằng giá trị này cũng tỷ lệ với độ rộng băng thông phổ tần.
1.1.4. Khả năng di động
Mạng LTE được tối ưu hóa đối với người dùng di chuyển tốc độ thấp từ 0
đến 15 km/h. Tuy nhiên kết nối vẫn có thể được duy trì đối với UE di chuyển tốc độ
cao lên tới 350 km/h thậm chí là 500km/h.
1.1.5. Sự linh hoạt của băng thông và phổ tần số
LTE có thể hoạt động ở một số dải tần như 1,25Mhz; 1,6Mhz; 2,5MHz; 5
Mhz; 10Mhz; 15Mhz; 20Mhz trên cả đường downlink lẫn uplink. Việc tăng tính
linh hoạt phổ tần như vậy sẽ giúp cho việc triển khai trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Ví dụ như đối với WCDMA yêu cầu độ rộng băng thông cố điṇ h là 5Mhz, dẫn tới
một số vấn đề về việc đưa vào áp dụng tại một số quốc gia nếu như băng thông này
đã được sử dụng bởi các mạng 2G GSM hay CDMA One. Đương nhiên băng
thông càng rộng thì tốc độ dữ liệu đỉnh càng cao. LTE hỗ trợ cả mô hình truyền
song công phân chia theo tần số FDD và truyền song công phân chia theo khe thời
gian TDD. Thêm vào đó, kết nối có thể diễn ra ở cả dải tần số đơn và kép. FDD sử
dụng dải tần kép bởi vì truyền dẫn 2 đườ ng uplink và downlink phải sử dụng 2 tần
số khác nhau giữa 2 phía nếu không tín hiệu thu và phát sẽ nhiễu lẫn nhau trong khi
đó TDD có thể sử dụng dải tần đơn bởi vì đường uplink và downlink có thể chia sẻ
chung dải tần số.
1.1.6. Vùng bao phủ
Vùng bao phủ của cell phụ thuộc nhiều vào yếu tố địa lý và dải tần sử dụng,
có thể hỗ trợ kích thước tế bào thay đổi từ bán kính hàng chục mét (femtocell và
picocell) lên tới các macrocell bán kính hàng chục km. Tại các khu ngoại thành và
dùng dải tần số thấp, phạm vi cell tối ưu thường là 5km, tuy nhiên có thể hỗ trợ lên
tới 30km thậm chí 100km thì hiệu suất hoạt động của hệ thống vẫn có thể chấp nhận
được. Trong khu vực thành thị, dải tần số cao và mật độ user dày đặc, vùng bao phủ
của cell có thể chỉ là 1km hay thấp hơn.
1.2. Tổng quan về đƣờng downlink LTE
Sự truyền dẫn diễn ra từ trạm gốc đến thiết bị người dùng gọi là đường
downlink và ngược lại được gọi là đường uplink. Trong mạng LTE, trạm gốc BS
được gọi là eNodeB và trạm người dùng MS được gọi là UE. OFDMA được chọn
làm cách đa truy nhập trên đường downlink cho mạng LTE. Truyền nhận
trên đường uplink sử dụng giao thức SC FDMA. Tuy nhiên trong phạm vi luận văn
này chúng ta chỉ đề cập đến đường downlink trong mạng LTE.
1.2.1. cách đa truy nhập OFDMA
OFDMA là một cách truy nhập dựa trên kỹ thuật điều chế đa sóng
mang ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đã được sử dụng rộng rãi
trong mạng không dây nhưng khá mới mẻ đối với thông tin di động. Kỹ thuật
OFDM chia chuỗi bit tín hiệu truyền đi thành các luồng nhỏ và đồng thời truyền
qua nhiều kênh sóng mang con song song khác nhau. Đối với LTE, những sóng
mang con OFDM thông thường chiếm một khoảng 15 kHz và được điều chế bằng
những bộ điều chế khác nhau như QPSK, 16QAM, 64QAM. Ưu điểm của việc sử
dụng cách truy nhập OFDMA trên đường downlink LTE đó chính là khả
năng cấp phát dung lượng trên cả miền thời gian(symbols) và không
gian(subcarriers), cho phép nhiều người dùng có thể được lập lịch trong cùng 1
khoảng thời gian.
Hình 1.1.OFDM và OFDMA
1.2.2. Kiến trúc khung gói tin
Phần này sẽ làm rõ việc dữ liệu trong mạng LTE được tổ chức như thế nào.
Trên cả đường downlink lẫn uplink, dữ liệu được tổ chứ c theo daṇ g lướ i .Trong
miền thời gian, dữ liệu được nhóm thành các frame có độ dài 10 milliseconds (ms).
1 frame lại được chia thành 10 subframe có độ dài 1ms, 1 subframe lại tiếp tục được
chia thành 2 timeslots (0.5ms). Miền tần số thì được chia thành các subcarrier chiếm
15kHz. Cấu trúc của khung dữ liệu trong mạng LTE được minh họa như hình 1.2.
Đơn vị dữ liệu nhỏ nhất trong mạng LTE đó là 1 symbol (time) x 1 subcarrier
(frequency) và được định nghĩa là 1 đơn vị tài nguyên Resource Element (RE). Một số
RE tập trung thành 1 khối tài nguyên Resource Block (RB) có độ lớn là 1 timeslot x 12
subcarriers. Số ký hiệu OFDM được điều chế trên 1 sóng mang con phụ thuộc vào tiền
tố lặp được sử dụng. Nếu sử dụng tiền tố lặp normal, 1 sóng mang con chứa được 7 ký
hiệu OFDM trong khi đó nếu chèn tiền tố lặp extended vào các ký hiệu OFDM, 1 sóng
mang con mang được 6 ký hiệu (xem hình 1.2).
KẾT LUẬN
Luâṇ văn đã trình bày toàn bô ̣những kiến thứ c của em về tổng quan thế hê ̣
mạng di động thứ 4 Long Term Evolution LTE cũng như cách làm viêc̣ của các bô ̣lâp̣
lịch sử dụng trên đường downlink LTE. Qua luâṇ văn, e đã trình bày một số kiến thứ c
cơ bản về đăc̣ trưng của maṇ g LTE , giao thứ c đa truy nhâp̣ OFDMA sử duṇ g trên
đườ ng downlink LTE, kiến trúc tài nguyên vô tuyến cũng như các mô hình truyền đa
antenna MIMO trong maṇ g LTE . Những kiến thứ c cơ bản này rất cần thiết đươc̣ để
có thể hiểu được chương trình mô phỏng ở phần tiếp theo.
Nôị dung chủ yếu tr ong luâṇ văn của em đó là trình bày điṇ h nghiã và cách
làm việc của bô ̣lâp̣ lic̣ h trong maṇ g LTE . Về cơ bản , lập lịch là nhiêṃ vu ̣của
eNodeB và là quá trình đưa ra quyết định liên quan đến việc phân bố những nguồn
tài nguyên (thời gian, tần số) giữa các người dùng trong vùng phủ của 1 eNodeB
trong từng khoảng thời gian xác định. Có rất nhiều thuật toán được sử dụng trong
bô ̣lâp̣ lic̣ h, tuy nhiên trong phaṃ vi luâṇ văn của mình , em đã đưa ra 3 cách lập lịch
cơ bản nhất gồm các thuâṭ toán Round Robin, Best CQI và Proportional Fair.
Ngoài ra , để thực hiện tốt nhất công việc mô phỏng , em đã tìm hiểu về
chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator . Theo em chương trình này hỗ
trợ rất tốt viêc̣ mô phỏng trong môi trườ ng vô tuyến LTE giúp thay đổi linh hoaṭ
giữa các mô hình đa anten MIMO , băng thông hê ̣thống , tính toán đến cả tốc đô ̣ di
chuyển của người dùng, môi trườ ng truyền sóng cũng như số lươṇ g UEs mà hê ̣
thống muốn phuc̣ vụ. Bằng kết quả mô phỏng, luâṇ văn đã làm rõ đươc̣ lý thuyết về
các thuật toán lập lịch Round Robin , Best CQI, Proportional Fair, so sánh và đánh
giá ảnh hưởng đối với hiệu năng trên đường downlink trong hệ thống mạng LTE kh i
sử duṇ g các thuâṭ toán này.
Tài nguyên vô tuyến thì có hạn và ngày càng khan hiếm vì vậy vai trò của bộ
lâ
p̣ lic̣ h trong hê ̣thống maṇ g di đôṇ g là rất quan troṇ g . Qua luâṇ văn này, em mong
muốn đóng góp những hiểu biết c ủa mình để có thể ngày càng tối ưu hơn hệ thống
mạng di động thế hệ mới LTE trong tương lai.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Nhà xuất bản: ĐHCN
Ngày: 2013
Chủ đề: Thuật toán lập lịch
Mạng LTE
Kỹ thuật điện tử
Miêu tả: 54 tr. + CD-ROM
Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử -- Trường Đại học Công nghệ. Đại học Quốc gia Hà Nội, 2013
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE ................................................. 12
1.1. Một số đặc trưng của mạng LTE.............................................................. 12
1.1.1. Tốc độ dữ liệu đỉnh ........................................................................... 12
1.1.2. Độ trễ ................................................................................................ 13
1.1.3. Thông lượng người dùng................................................................... 13
1.1.4. Khả năng di động.............................................................................. 13
1.1.5. Sự linh hoạt của băng thông và phổ tần số....................................... 13
1.1.6. Vùng bao phủ .................................................................................... 14
1.2. Tổng quan về đường downlink LTE........................................................ 14
1.2.1. cách đa truy nhập OFDMA ................................................. 14
1.2.2. Kiến trúc khung gói tin...................................................................... 15
1.2.3. Kênh vật lý downlink LTE................................................................. 17
1.3. Mô hình kênh truyền đa anten MIMO ..................................................... 21
Chương 2: THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG MẠNG LTE ................ 23
2.1.Thuật toán xoay vòng................................................................................ 27
2.2. Thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất ................................. 28
2.3. Thuật toán cân bằng ................................................................................. 30
Chương 3: KẾ T QUẢ MÔ PHỎ NG............................................................ 32
3.1. Chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator........................... 32
3.2. Các kịch bản và kết quả mô phỏng .......................................................... 35
3.2.1. So sánh hiệu năng giữa các thuật toán lập lịch sử dụng chung
cấu hình........................................................................................................ 36
3.2.2.Thay đổi vâṇ tốc của ngườ i dù ng ....................................................... 44
3.2.3.Thay đổi mô hình truyền MIMO......................................................... 45
3.2.4.Thay đổi số lươṇ g ngườ i dù ng UEs/cell ............................................ 47
3.2.5.Thay đổi băng thông hệ thống ........................................................... 50
KẾ T LUÂṆ .................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 53
LỜ I MỞ ĐẦ U
Thế hệ di động thứ 4 LTE là một cuộc cách mạng của UMTS được chuẩn
hóa bởi 3GPP Rel8 để theo kịp sự phát triển của mạng vô tuyến băng thông rộng
với dung lượng và tốc độ truyền tải dữ liệu mức cao. LTE được kích hoạt trên một
số thiết bị di động như smartphones, laptops, tablets giúp người dùng truy nhập
Internet với tốc độ cao và sử duṇ g đa dịch vụ. Về mặt kỹ thuật, LTE có thể hoạt
động trên dải tần rộng từ 1.4Mhz lên đến 20Mhz, cải thiện dung lượng và vùng phủ
của hệ thống, hỗ trợ truyền đa anten MIMO, giảm chi phí trên đường truyền và có
thể tích hợp với các hệ thống mạng di động đang tồn tại sẵn.
Trong khi đó, khái niệm về lập lịch cơ bản là quá trình ra quyết định bởi 1 bộ
lập lịch liên quan tới việc phân bổ tài nguyên trong cả miền thời gian và tần số đến
tất cả người dùng trong vùng phủ của 1 trạm cơ sở . Các thuật toán xoay vòng
Round Robin, thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất Best CQI và thuật
toán cân bằng Proportional Fair là những thuật toán lập lịch sẽ được phân tích và
mô phỏng trong luận văn này. Những thuật toán này được mô phỏng thông qua
chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator [3] và dựa vào kết quả để so
sánh sự ảnh hưởng đến thông lượng và sự cân bằng của hệ thống nhằm giúp người
đọc hiểu được ưu nhược điểm của từng thuật toán lập lịch trong hệ thống mạng
LTE.
Dễ dàng nhâṇ thấy hiện nay, tần số và kênh truyền là những nguồn tài nguyên
có hạn và đang dần khan hiếm , vì vâỵ việc lập lịch nhằm phân bố hơp̣ lý nguồn tài
nguyên này đến người dùng là vô cùng q uan troṇ g trong maṇ g vô tuyến, đặc biệt là
mạng di động thế hệ mới LTE. Chính vì vậy, em lưạ choṇ luâṇ văn của mình sẽ trình
bày về vấn đề “ Đánh giá hiệu năng của một số thuật toán lập lịch trên đƣờng
downlink trong mạng LTE”.
Khảo sát một số luận văn đã được thực hiện trong và ngoài nước
[1][2][4][5], chúng ta sẽ có thể thấy đóng góp của luận văn này. Thay thế cho việc
các nghiên cứu trước đây chỉ mô phỏng và đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập
lịch trong mô hình truyền SISO, băng thông hạn chế, người dùng không di động,
luận văn này sẽ đề cập đến việc sử dụng mô hình truyền đa anten MIMO, mở rộng
băng thông, tính toán đến cả sự di chuyển của người dùng và đặc biệt sử dụng môi
trường truyền sóng vô tuyến đặc trưng cho mạng LTE qua việc mô phỏng bằng
chương trình LTE System Level Simulator.
Luận văn của em gồm có 3 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về thế hệ
mạng di động LTE. Chương 2 sẽ đưa ra định nghĩa và cách làm việc của bộ lập lịch
cùng giải thuật của một số thuật toán lập lịch trong mạng LTE. Chương 3 đưa ra các
kịch bản cho chương trình mô phỏng và so sánh các kết quả từ đó đánh giá hiệu
năng của hệ thống khi sử dụng các thuật toán lập lịch trên. Cuối cùng sẽ có phần rút
ra kết luận và đưa ra những đề xuất trong tương lai cho luận văn đồng thời liệt kê
những nguồn và tài liệu tham khảo khi thực hiện luận văn.
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE
Trong vòng một vài năm gần đây, chúng ta thấy rằng công nghê ̣ di động sử
dụng băng thông rộng ngày càng trở nên cần thiết khi mà người dùng di đôṇ g ngày
càng trở nên quen thuộc với việc truy nhập băng thông rộng bất cứ nơi nào họ đến,
không chỉ là ở nhà hay nơi làm việc. Để đáp ứng nhu cầu đó, 3GPP đã chuẩn hóa
môṭ công nghê ̣di đôṇ g thế hê ̣mớ i có tên goị LTE vớ i muc̣ tiêu kế thừ a và thay thế
cho maṇ g 2G và 3G hiêṇ nay. LTE đươc̣ hy voṇ g sẽ cung cấp môṭ chất lươṇ g dic̣ h vu ̣
tốt hơn so vớ i các maṇ g từ trướ c đến nay . Mục đích khi 3GPP chuẩn hóa mạng LTE
đó là cung cấp môṭ nền tảng cho sự phát triển công nghê ̣truy nhâp̣ vô tuyến hướ ng
đến tốc độ truyền nhận dữ liệu mức cao , giảm trễ, tăng hiêụ suất phổ tần , sử duṇ g
băng thông linh hoat,̣ tối ưu hóa hiêụ suấthê ̣thống khi ngườ i dùng di chuyển,…
LTE được xem như một giải pháp để sử dụng tốt hơn các ứng dịch và dịch
vụ tiêu tốn rất nhiều băng thông trên thiết bị di động của người dùng hiện nay. Sau
đây chúng ta sẽ điểm qua một số đặc trưng trong hệ thống LTE bao gồm các thông
số hiệu suất của hệ thống, cách đa truy nhập OFDMA trên đường downlink
cũng như mô hình truyền đa anten MIMO được sử dụng cho mạng di đôṇ g LTE.
1.1. Một số đặc trƣng của mạng LTE
1.1.1. Tốc độ dữ liệu đỉnh
LTE hỗ trợ việc tốc độ dữ liệu đỉnh tăng đáng kể một cách nhanh chóng. Tốc
độ đỉnh được hỗ trợ sẽ tỷ lệ vào độ rộng băng tần. Chú ý rằng tốc độ này cũng có thể
phụ thuộc vào số lượng anten truyền và nhận tại UE. Với cấu hình cơ bản như sau:
- Downlink: 2 antenna thu trên UE
- Uplink: 1 antenna phát trên UE
Mạng LTE có thể hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời là 100Mb/s trên băng thông
20Mhz (5bps/Hz) cho đường downlink và 50 Mb/s trên băng thông 20Mhz
(2.5bps/Hz) cho đường uplink.
1.1.2. Độ trễ
Trễ đường truyền kênh người dùng phải ít hơn 5 ms một chiều và thời gian
chuyển tiếp kênh điều khiển phải ít hơn 50ms từ trạng thái ngủ sang trạng thái hoạt
động và ít hơn 100ms từ trạng thái chờ sang trạng thái hoạt động. Đối với mạng
LTE, độ trễ thời gian thực của tín hiệu thấp hơn nhiều so với mạng 2G, 3G. Điều
này cực kỳ quan trọng bởi vì hầu hết các ứng dụng có liên quan đến hình ảnh và
thoại đều dựa trên việc truyền dữ liệu dạng gói giữa mạng di động và thiết bị di
động đầu cuối với nhau. Ví dụ khi gọi quốc tế từ điện thoại di động (có thể thông
qua Skype hay thẻ gọi quốc tế - dạng Voice IP), nếu thời gian trễ của tín hiệu nhỏ
thì ta nghe đầu bên kia nói sớm và ngược lại, hay như với dịch vụ Streaming Video
thì thời gian hiển thị hình ảnh cũng nhanh hơn.
1.1.3. Thông lượng người dùng
Thông lượng người dùng cũng như hiệu suất phổ tần trong mạng LTE cao
hơn so với các thế hệ mạng di động trước đấy. Cụ thể,thông lượng trên đường
downlink cao gấp 3 - 4 lần so với tiêu chuẩn của HSDPA. Còn trên đường uplink,
thông lượng trung bình cũng cao gấp 2 đến 3 lần so với Realease 6 EUL. Chú ý
rằng giá trị này cũng tỷ lệ với độ rộng băng thông phổ tần.
1.1.4. Khả năng di động
Mạng LTE được tối ưu hóa đối với người dùng di chuyển tốc độ thấp từ 0
đến 15 km/h. Tuy nhiên kết nối vẫn có thể được duy trì đối với UE di chuyển tốc độ
cao lên tới 350 km/h thậm chí là 500km/h.
1.1.5. Sự linh hoạt của băng thông và phổ tần số
LTE có thể hoạt động ở một số dải tần như 1,25Mhz; 1,6Mhz; 2,5MHz; 5
Mhz; 10Mhz; 15Mhz; 20Mhz trên cả đường downlink lẫn uplink. Việc tăng tính
linh hoạt phổ tần như vậy sẽ giúp cho việc triển khai trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Ví dụ như đối với WCDMA yêu cầu độ rộng băng thông cố điṇ h là 5Mhz, dẫn tới
một số vấn đề về việc đưa vào áp dụng tại một số quốc gia nếu như băng thông này
đã được sử dụng bởi các mạng 2G GSM hay CDMA One. Đương nhiên băng
thông càng rộng thì tốc độ dữ liệu đỉnh càng cao. LTE hỗ trợ cả mô hình truyền
song công phân chia theo tần số FDD và truyền song công phân chia theo khe thời
gian TDD. Thêm vào đó, kết nối có thể diễn ra ở cả dải tần số đơn và kép. FDD sử
dụng dải tần kép bởi vì truyền dẫn 2 đườ ng uplink và downlink phải sử dụng 2 tần
số khác nhau giữa 2 phía nếu không tín hiệu thu và phát sẽ nhiễu lẫn nhau trong khi
đó TDD có thể sử dụng dải tần đơn bởi vì đường uplink và downlink có thể chia sẻ
chung dải tần số.
1.1.6. Vùng bao phủ
Vùng bao phủ của cell phụ thuộc nhiều vào yếu tố địa lý và dải tần sử dụng,
có thể hỗ trợ kích thước tế bào thay đổi từ bán kính hàng chục mét (femtocell và
picocell) lên tới các macrocell bán kính hàng chục km. Tại các khu ngoại thành và
dùng dải tần số thấp, phạm vi cell tối ưu thường là 5km, tuy nhiên có thể hỗ trợ lên
tới 30km thậm chí 100km thì hiệu suất hoạt động của hệ thống vẫn có thể chấp nhận
được. Trong khu vực thành thị, dải tần số cao và mật độ user dày đặc, vùng bao phủ
của cell có thể chỉ là 1km hay thấp hơn.
1.2. Tổng quan về đƣờng downlink LTE
Sự truyền dẫn diễn ra từ trạm gốc đến thiết bị người dùng gọi là đường
downlink và ngược lại được gọi là đường uplink. Trong mạng LTE, trạm gốc BS
được gọi là eNodeB và trạm người dùng MS được gọi là UE. OFDMA được chọn
làm cách đa truy nhập trên đường downlink cho mạng LTE. Truyền nhận
trên đường uplink sử dụng giao thức SC FDMA. Tuy nhiên trong phạm vi luận văn
này chúng ta chỉ đề cập đến đường downlink trong mạng LTE.
1.2.1. cách đa truy nhập OFDMA
OFDMA là một cách truy nhập dựa trên kỹ thuật điều chế đa sóng
mang ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đã được sử dụng rộng rãi
trong mạng không dây nhưng khá mới mẻ đối với thông tin di động. Kỹ thuật
OFDM chia chuỗi bit tín hiệu truyền đi thành các luồng nhỏ và đồng thời truyền
qua nhiều kênh sóng mang con song song khác nhau. Đối với LTE, những sóng
mang con OFDM thông thường chiếm một khoảng 15 kHz và được điều chế bằng
những bộ điều chế khác nhau như QPSK, 16QAM, 64QAM. Ưu điểm của việc sử
dụng cách truy nhập OFDMA trên đường downlink LTE đó chính là khả
năng cấp phát dung lượng trên cả miền thời gian(symbols) và không
gian(subcarriers), cho phép nhiều người dùng có thể được lập lịch trong cùng 1
khoảng thời gian.
Hình 1.1.OFDM và OFDMA
1.2.2. Kiến trúc khung gói tin
Phần này sẽ làm rõ việc dữ liệu trong mạng LTE được tổ chức như thế nào.
Trên cả đường downlink lẫn uplink, dữ liệu được tổ chứ c theo daṇ g lướ i .Trong
miền thời gian, dữ liệu được nhóm thành các frame có độ dài 10 milliseconds (ms).
1 frame lại được chia thành 10 subframe có độ dài 1ms, 1 subframe lại tiếp tục được
chia thành 2 timeslots (0.5ms). Miền tần số thì được chia thành các subcarrier chiếm
15kHz. Cấu trúc của khung dữ liệu trong mạng LTE được minh họa như hình 1.2.
Đơn vị dữ liệu nhỏ nhất trong mạng LTE đó là 1 symbol (time) x 1 subcarrier
(frequency) và được định nghĩa là 1 đơn vị tài nguyên Resource Element (RE). Một số
RE tập trung thành 1 khối tài nguyên Resource Block (RB) có độ lớn là 1 timeslot x 12
subcarriers. Số ký hiệu OFDM được điều chế trên 1 sóng mang con phụ thuộc vào tiền
tố lặp được sử dụng. Nếu sử dụng tiền tố lặp normal, 1 sóng mang con chứa được 7 ký
hiệu OFDM trong khi đó nếu chèn tiền tố lặp extended vào các ký hiệu OFDM, 1 sóng
mang con mang được 6 ký hiệu (xem hình 1.2).
KẾT LUẬN
Luâṇ văn đã trình bày toàn bô ̣những kiến thứ c của em về tổng quan thế hê ̣
mạng di động thứ 4 Long Term Evolution LTE cũng như cách làm viêc̣ của các bô ̣lâp̣
lịch sử dụng trên đường downlink LTE. Qua luâṇ văn, e đã trình bày một số kiến thứ c
cơ bản về đăc̣ trưng của maṇ g LTE , giao thứ c đa truy nhâp̣ OFDMA sử duṇ g trên
đườ ng downlink LTE, kiến trúc tài nguyên vô tuyến cũng như các mô hình truyền đa
antenna MIMO trong maṇ g LTE . Những kiến thứ c cơ bản này rất cần thiết đươc̣ để
có thể hiểu được chương trình mô phỏng ở phần tiếp theo.
Nôị dung chủ yếu tr ong luâṇ văn của em đó là trình bày điṇ h nghiã và cách
làm việc của bô ̣lâp̣ lic̣ h trong maṇ g LTE . Về cơ bản , lập lịch là nhiêṃ vu ̣của
eNodeB và là quá trình đưa ra quyết định liên quan đến việc phân bố những nguồn
tài nguyên (thời gian, tần số) giữa các người dùng trong vùng phủ của 1 eNodeB
trong từng khoảng thời gian xác định. Có rất nhiều thuật toán được sử dụng trong
bô ̣lâp̣ lic̣ h, tuy nhiên trong phaṃ vi luâṇ văn của mình , em đã đưa ra 3 cách lập lịch
cơ bản nhất gồm các thuâṭ toán Round Robin, Best CQI và Proportional Fair.
Ngoài ra , để thực hiện tốt nhất công việc mô phỏng , em đã tìm hiểu về
chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator . Theo em chương trình này hỗ
trợ rất tốt viêc̣ mô phỏng trong môi trườ ng vô tuyến LTE giúp thay đổi linh hoaṭ
giữa các mô hình đa anten MIMO , băng thông hê ̣thống , tính toán đến cả tốc đô ̣ di
chuyển của người dùng, môi trườ ng truyền sóng cũng như số lươṇ g UEs mà hê ̣
thống muốn phuc̣ vụ. Bằng kết quả mô phỏng, luâṇ văn đã làm rõ đươc̣ lý thuyết về
các thuật toán lập lịch Round Robin , Best CQI, Proportional Fair, so sánh và đánh
giá ảnh hưởng đối với hiệu năng trên đường downlink trong hệ thống mạng LTE kh i
sử duṇ g các thuâṭ toán này.
Tài nguyên vô tuyến thì có hạn và ngày càng khan hiếm vì vậy vai trò của bộ
lâ
p̣ lic̣ h trong hê ̣thống maṇ g di đôṇ g là rất quan troṇ g . Qua luâṇ văn này, em mong
muốn đóng góp những hiểu biết c ủa mình để có thể ngày càng tối ưu hơn hệ thống
mạng di động thế hệ mới LTE trong tương lai.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links
Last edited by a moderator: