RRM in LTE_full

Đồ án tốt nghiệp

Đại học Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, các mạng thông tin di động đang ngày càng phát triển để đáp ứng kịp thời nhu cầu ngày càng cao về tốc độ truyền dẫn cũng như chất lượng dịch vụ của khách hàng, đặc biệt là nhu cầu sử dụng các dịch vụ video trực tuyến thời gian thực của các khách hàng di động khiến cho các mạng di động thế hệ thứ 3 chưa thể đáp ứng đủ. Trước tình hình đó. ITU đã chuẩn hóa chuẩn 4G với các yêu khắt khe trong tiêu chuẩn IMT Advanced. Tổ chức 3GPP đã đưa ra chuẩn LTE, một mạng thông tin di động “3.9G” trong release 8 của tổ chức này. Với nhiều công nghệ nổi bật được ứng dụng cho LTE, mạng thông tin di động này nhanh chóng được các nhà mạng chấp nhận và đưa vào hoạt động ở nhiều nơi trên thế giới, trở thành một trong những hướng quan trọng nhất đi lên chuẩn 4G. Đối với bất cứ mạng thông tin di động hay mạng không dây nào, vấn đề quản lí tài nguyên vô tuyến như tần số, khe thời gian, mã, công suất,…. đều rất được quan tâm, bởi phân bổ tài nguyên này như thế nào cho thích hợp là một vấn đề không hề dễ giải quyết. Đặc biệt là trong mạng LTE, với những đặc điểm riêng biệt so với các mạng thông tin di động thế hệ trước, đã đạt ra những yêu cầu khác biệt trong việc quản lí tài nguyên vô tuyến. Cũng vì lí do này, em đã lựa chọn đề tài “Quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng 3GPP LTE” cho đồ án tốt nghiệp của mình Trong đồ án này, em đã đi vào nghiên cứu các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng thông tin di động LTE với bố cục đề tài bao gồm 3 chương:  Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE  Chương 2: Tổng quan về quản lí tài nguyên vô tuyến và các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến thường gặp trong các mạng thông tin di động.  Chương 3: Các cơ chế và giải thuật quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE trong đó tập trung vào các giải pháp giải quyết vấn đề nhiễu liên cell trong LTE. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do hạn chế về mặt kiến thức thực tế cũng như chuyên môn nên chắc chắn bài đồ án của em vẫn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô để bài đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2012 Sinh viên thực hiện

Trần Quang Huy

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

i

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN Có thể nói tốt nghiệp đại học là một cột mốc quan trọng trong sự nghiệp học tập của một sinh viên. Để đến được cột mốc quan trọng đó, mỗi chúng ta phải trải qua rất nhiều thử thách đòi hỏi sự cố gắng, kiên trì của bản thân và không thể không nói đến những sự giúp đỡ tận tình của những người xung quanh mỗi chúng ta. Để hoàn thành được đồ án này, ngoài sự cố gắng của cá nhân, em cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, động viên từ gia đình, thầy cô và bạn bè. Lời cảm ơn chân thành đầu tiên em xin dành gửi tới cô giáo hướng dẫn em thực hiện đồ án, ThS. Dương Thị Thanh Tú, giảng viên khoa Viễn thông I, Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đã luôn tận tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Mặc dù rất bận rộn nhưng cô luôn dành thời gian định hướng, góp ý, sửa chữa giúp em có được phương pháp nghiên cứu tốt hơn, sắp xếp trình bày đồ án một khách khoa học và đúng chuẩn nhất. Đồ án tốt nghiệp của em hoàn thành cũng nhờ sự giúp đỡ tận tình của cô. Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo đã dạy dỗ, dìu dắt em khôn lớn, trưởng thành tới ngày hôm nay. Xin cảm ơn các bạn của mình, đặc biệt là các bạn trong tập thể lớp D08VT1, đã cùng mình học tập, vui chơi, nếu không có các bạn thì quãng thời gian ngồi trên ghế trường đại học sẽ không có được nhiều màu sắc, ý nghĩa như thế. Cảm ơn các bạn đã luôn bên cạnh giúp đỡ mình trong học tập, động viên và chia sẽ niềm vui nỗi buồn trong cuộc sống. Cuối cùng con xin gửi tới bố mẹ, gia đình, những người luôn yêu thương con nhất lời cảm ơn từ tận đáy lòng. cảm ơn bố mẹ vì trong suốt khoảng thời gian vừa qua đã hết sức tạo điều kiện, quan tâm chăm sóc con để con có thể hoàn thành đồ án này một cách tốt nhất! Hà Nội, tháng 12 năm 2012 Sinh viên thực hiện

Trần Quang Huy

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

ii

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU............................................................................... i LỜI CẢM ƠN..............................................................................ii MỤC LỤC.................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...............................................................vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE.........1 1.3.1 Kiến trúc mạng lõi của LTE................................................................................5 1.3.2 Kiến trúc mạng truy nhập của LTE.....................................................................8

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát mạng truy nhập LTE........................8 1.3.3 Kiến trúc Roaming............................................................................................. 9

Hình 1.4 Kiến trúc roaming trong LTE.......................................10 1.3.4 Kiến trúc giao thức...........................................................................................10

Hình 1.5 Các giao thức trong mặt bằng người dùng trong LTE.....11 Hình 1.6 Các giao thức trong mặt bằng điều khiển trong LTE......12 Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát chuỗi thu và phát trong LTE...........17 1.5.4 Phân loại thiết bị của người sử dụng................................................................20

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN.......22 2.1 KHÁI NIỆM TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN.............................................22 2.2 QUY HOẠCH MẠNG....................................................................23 2.3 KHÁI NIỆM QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN................................23 2.4 PHÂN LOẠI CÁC CƠ CHẾ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN............24

Hình 3.1 Cấu trúc một khung trong truyền dẫn trong LTE...........33 Hình 3.2 Vấn đề nhiễu liên cell trong mạng LTE.........................34 3.2 CÁC CHỈ SỐ ĐO CẦN THIẾT ĐỂ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN....34 3.2.1 Các chỉ số đo thực hiện bởi trạm di động.........................................................34 3.2.2 Các chỉ số đo được thực hiện bởi eNodeB........................................................35

3.3 CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE..........................................................................38 3.3.1 Các giải thuật quản lí chấp nhận kết nối (Admission Control)..........................38 3.3.2 Các giải thuật điều khiển công suất (Power control)........................................39

Hình 3.3 Các bản tin báo hiệu giữa UE và eNodeB trong cơ chế điều khiển công suất (Power Control).......................................40 3.3.3 Giải thuật thích ứng kết nối (Link Adaption).....................................................41

Hình 3.4 Hoạt động của giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (Outer Loop Link Adaption)......................................................41 SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

iii

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Mục lục

3.3.4 Giải thuật quản lí chuyển giao (Handover Control)..........................................42

Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong LTE....................................44 3.4 CÁC GIẢI THUẬT QUẢN LÍ NHIỄU LIÊN CELL (INTERCELL INTEFERENCE COORDINATION)........................................................45

Hình 3.6 Cơ chế giải quyết nhiễu liên cell theo hai kiểu: ngẫu nhiên hóa và hợp tác – điều phối...............................................46 3.4.1 ICIC tĩnh........................................................................................................... 46

Hình 3.7 Phương án ICIC của Ericsson.......................................46 Hình 3.8 Phương án ICIC của Alcatel..........................................47 3.4.2 ICIC bán tĩnh.................................................................................................... 47

Hình 3.9 Phương án ICIC của Siemens.......................................48 Hình 3.10 Phương án ICIC dựa trên lưu lượng của người dùng.....49 3.4.3 Các giải thuật lập lịch cho tài nguyên..............................................................49 3.4.4 Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu năng của các phương án ICIC...............52

Hình 3.11 So sánh thông lượng cell giữa 4 phương án ICIC..........53 Hình 3.12 So sánh thông lượng cell ở biên của cell giữa 3 phương án ICIC.................................................................................... 53 Hình 3.13 Triển khai mạng theo phương án ICIC động................54 Hình 3.14 So sánh thông lượng của cell mục tiêu và cell hàng xóm trong hai phương án ICIC tĩnh và động......................................55 Hình 3.15 So sánh tỉ lệ nghẽn giữa các phương án phân bổ tần số khác nhau...............................................................................56 3.4.5 Đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch...............................................57

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG...................................................................57

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................60

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

iv

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU............................................................................... i LỜI CẢM ƠN..............................................................................ii MỤC LỤC.................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...............................................................vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE.........1 1.3.1 Kiến trúc mạng lõi của LTE................................................................................5 1.3.2 Kiến trúc mạng truy nhập của LTE.....................................................................8

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát mạng truy nhập LTE........................8 1.3.3 Kiến trúc Roaming............................................................................................. 9

Hình 1.4 Kiến trúc roaming trong LTE.......................................10 1.3.4 Kiến trúc giao thức...........................................................................................10

Hình 1.5 Các giao thức trong mặt bằng người dùng trong LTE.....11 Hình 1.6 Các giao thức trong mặt bằng điều khiển trong LTE......12 Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát chuỗi thu và phát trong LTE...........17 1.5.4 Phân loại thiết bị của người sử dụng................................................................20

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN.......22 2.1 KHÁI NIỆM TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN.............................................22 2.2 QUY HOẠCH MẠNG....................................................................23 2.3 KHÁI NIỆM QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN................................23 2.4 PHÂN LOẠI CÁC CƠ CHẾ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN............24

Hình 3.1 Cấu trúc một khung trong truyền dẫn trong LTE...........33 Hình 3.2 Vấn đề nhiễu liên cell trong mạng LTE.........................34 3.2 CÁC CHỈ SỐ ĐO CẦN THIẾT ĐỂ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN....34 3.2.1 Các chỉ số đo thực hiện bởi trạm di động.........................................................34 3.2.2 Các chỉ số đo được thực hiện bởi eNodeB........................................................35

3.3 CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE..........................................................................38 3.3.1 Các giải thuật quản lí chấp nhận kết nối (Admission Control)..........................38 3.3.2 Các giải thuật điều khiển công suất (Power control)........................................39

Hình 3.3 Các bản tin báo hiệu giữa UE và eNodeB trong cơ chế điều khiển công suất (Power Control).......................................40 3.3.3 Giải thuật thích ứng kết nối (Link Adaption).....................................................41

Hình 3.4 Hoạt động của giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (Outer Loop Link Adaption)......................................................41 3.3.4 Giải thuật quản lí chuyển giao (Handover Control)..........................................42

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

v

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục hình vẽ

Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong LTE....................................44 3.4 CÁC GIẢI THUẬT QUẢN LÍ NHIỄU LIÊN CELL (INTERCELL INTEFERENCE COORDINATION)........................................................45

Hình 3.6 Cơ chế giải quyết nhiễu liên cell theo hai kiểu: ngẫu nhiên hóa và hợp tác – điều phối...............................................46 3.4.1 ICIC tĩnh........................................................................................................... 46

Hình 3.7 Phương án ICIC của Ericsson.......................................46 Hình 3.8 Phương án ICIC của Alcatel..........................................47 3.4.2 ICIC bán tĩnh.................................................................................................... 47

Hình 3.9 Phương án ICIC của Siemens.......................................48 Hình 3.10 Phương án ICIC dựa trên lưu lượng của người dùng.....49 3.4.3 Các giải thuật lập lịch cho tài nguyên..............................................................49 3.4.4 Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu năng của các phương án ICIC...............52

Hình 3.11 So sánh thông lượng cell giữa 4 phương án ICIC..........53 Hình 3.12 So sánh thông lượng cell ở biên của cell giữa 3 phương án ICIC.................................................................................... 53 Hình 3.13 Triển khai mạng theo phương án ICIC động................54 Hình 3.14 So sánh thông lượng của cell mục tiêu và cell hàng xóm trong hai phương án ICIC tĩnh và động......................................55 Hình 3.15 So sánh tỉ lệ nghẽn giữa các phương án phân bổ tần số khác nhau...............................................................................56 3.4.5 Đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch...............................................57

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG...................................................................57

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................60

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

vi

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục bảng biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU............................................................................... i LỜI CẢM ƠN..............................................................................ii MỤC LỤC.................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH VẼ...................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU..............................................................vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT...............................................................vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE.........1 1.3.1 Kiến trúc mạng lõi của LTE................................................................................5 1.3.2 Kiến trúc mạng truy nhập của LTE.....................................................................8

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát mạng truy nhập LTE........................8 1.3.3 Kiến trúc Roaming............................................................................................. 9

Hình 1.4 Kiến trúc roaming trong LTE.......................................10 1.3.4 Kiến trúc giao thức...........................................................................................10

Hình 1.5 Các giao thức trong mặt bằng người dùng trong LTE.....11 Hình 1.6 Các giao thức trong mặt bằng điều khiển trong LTE......12 Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát chuỗi thu và phát trong LTE...........17 1.5.4 Phân loại thiết bị của người sử dụng................................................................20

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN.......22 2.1 KHÁI NIỆM TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN.............................................22 2.2 QUY HOẠCH MẠNG....................................................................23 2.3 KHÁI NIỆM QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN................................23 2.4 PHÂN LOẠI CÁC CƠ CHẾ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN............24

Hình 3.1 Cấu trúc một khung trong truyền dẫn trong LTE...........33 Hình 3.2 Vấn đề nhiễu liên cell trong mạng LTE.........................34 3.2 CÁC CHỈ SỐ ĐO CẦN THIẾT ĐỂ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN....34 3.2.1 Các chỉ số đo thực hiện bởi trạm di động.........................................................34 3.2.2 Các chỉ số đo được thực hiện bởi eNodeB........................................................35

3.3 CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE..........................................................................38 3.3.1 Các giải thuật quản lí chấp nhận kết nối (Admission Control)..........................38 3.3.2 Các giải thuật điều khiển công suất (Power control)........................................39

Hình 3.3 Các bản tin báo hiệu giữa UE và eNodeB trong cơ chế điều khiển công suất (Power Control).......................................40 3.3.3 Giải thuật thích ứng kết nối (Link Adaption).....................................................41

Hình 3.4 Hoạt động của giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (Outer Loop Link Adaption)......................................................41 SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

vi

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục bảng biểu

3.3.4 Giải thuật quản lí chuyển giao (Handover Control)..........................................42

Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong LTE....................................44 3.4 CÁC GIẢI THUẬT QUẢN LÍ NHIỄU LIÊN CELL (INTERCELL INTEFERENCE COORDINATION)........................................................45

Hình 3.6 Cơ chế giải quyết nhiễu liên cell theo hai kiểu: ngẫu nhiên hóa và hợp tác – điều phối...............................................46 3.4.1 ICIC tĩnh........................................................................................................... 46

Hình 3.7 Phương án ICIC của Ericsson.......................................46 Hình 3.8 Phương án ICIC của Alcatel..........................................47 3.4.2 ICIC bán tĩnh.................................................................................................... 47

Hình 3.9 Phương án ICIC của Siemens.......................................48 Hình 3.10 Phương án ICIC dựa trên lưu lượng của người dùng.....49 3.4.3 Các giải thuật lập lịch cho tài nguyên..............................................................49 3.4.4 Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu năng của các phương án ICIC...............52

Hình 3.11 So sánh thông lượng cell giữa 4 phương án ICIC..........53 Hình 3.12 So sánh thông lượng cell ở biên của cell giữa 3 phương án ICIC.................................................................................... 53 Hình 3.13 Triển khai mạng theo phương án ICIC động................54 Hình 3.14 So sánh thông lượng của cell mục tiêu và cell hàng xóm trong hai phương án ICIC tĩnh và động......................................55 Hình 3.15 So sánh tỉ lệ nghẽn giữa các phương án phân bổ tần số khác nhau...............................................................................56 3.4.5 Đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch...............................................57

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG...................................................................57

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................60

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

vii

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Thuật ngữ viết tắt

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

3GPP

3rd Generation Partnership Project

Dự án đối tác thế hệ thứ ba

3GPP2

3rd Generation Partnership Project 2

Dự án đối tác thế hệ thứ ba số 2

AC

Admission Control

Cơ chế chấp nhận kết nối

AuC

Authentication Centre

Trung tâm nhận thực

AMPS

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống mạng di động cải tiến

BCCH

Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá

BCH

Broadcast Channel

Kênh quảng bá

BLER

Block Error Rate

Tỉ lệ lỗi nghẽn

CCCH

Common Control Channel

Kênh điều khiển chung

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CQI

Channel Quality Indicator

Chỉ thị chất lượng kênh

DCCH

Dedicated Control Channel

Kênh điều khiển dùng riêng

DL-SCH

Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường xuống

DTCH

Dedicated Traffic Channel

Kênh lưu lượng dùng riêng

EDGE

Enhanced Data rates for GSM Evolution

Hệ thống nâng cao tốc độ cho mạng GSM

eNodeB

Evolved NodeB

NodeB cải tiến

EPC

Evolved Packet Core

Mạng lõi gói tiến hóa

EPS

Evolved Packet Switching

Chuyển mạh gói tiến hóa

E-SMLC

Evolved Serving Location Centre

Trung tâm định vị di động cải tiến

ETSI

European Telecommunications Standards Institute

Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu

E-UTRAN

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

FDD

Frequency Division Duplexing

Truyền song công theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FTP

File Transfer Protocol

Giao thức truyền dẫn tập tin

FPC

Fractional Power Control

Điều khiển công suất phân đoạn

GBR

Guaranteed Bit Rate

Tốc độ bit được đảm bảo

GERAN

GSM EDGE Radio Access Network

Mạng truy nhập của GSM, EDGE

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

vii

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Thuật ngữ viết tắt

GMLC

Gateway Mobile Location Centre

Cổng trung tâm định vị di động

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GSM

Global System Mobile Communications

Dịch vụ kết nối di động toàn cầu

GTP-U

GPRS-Tunnelling Protocol – User Plane

Giao thức đường hầm GPRS cho mặt bằng người dùng

HARQ

Hybrid automatic repeat request

Cơ chế tự động gửi lại yêu cầu lai

HSDPA

High Speed Downlink Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao đường xuống

HSPA+

High Speed Packet Access Plus

Truy nhập gói tốc độ cao cải tiến

HSS

Home Subscriber Server

Máy chủ thuê bao nhà

HSUPA

High Speed Uplink Packet Access

Truy nhập gói tốc độ cao đường lên

ICIC

Intercell Interference Coordination

Điều phối nhiễu liên cell

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

Viện kĩ thuật điên và điện tử Hoa Kì

IMS

IP Multimedia Subsystem

Hệ thống con đa phương tiện IP

IMT

International Mobile Telecommunications

Viễn thông di động quốc tế

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

ITU

International Telecommunication Union

Liên minh viễn thông quốc tế

J-TACS

Japanese Total Access Communication System

Hệ thống truy nhập liên lạc của Nhật Bản

LA

Link Adaption

Thích ứng kết nối

LTE

Long Term Evolution

Mạng di động phát triển dài hạn

LTE Avanced

Long Term Evolution Advanced

Thế hệ sau của LTE

MAC

Media Access Control

Lớp điều khiển truy nhập môi trường

MCH

Multicast Channel

Kênh đa điểm

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output

Kĩ thuật đa anten

MME

Mobility Management Entity

Thực thể quản lí di động

MTCH

Multicast Traffic Channel

Kênh lưu lượng đa điểm

NMT

Nordic Mobile Telephone

Hệ thống di động Bắc Âu

NRT

Non Real-Time

Không theo thời gian thực

NAS

Non Access Stratum

Lớp ứng dụng trong LTE

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

viii

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Thuật ngữ viết tắt

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phan chia theo tần số trực giao

OLLA

Outer Loop Link Adaption

Thích ứng liên kết vòng ngoài

OVSF

Orthogonal Variable Spreading Factor

Mã trực giao có độ dài khả biến

PAPR

Peak-to-Average Power Ratio

Tỉ số công suất đỉnh trên cống suất trung bình

PBCH

Physical Broadcast Channel

Kênh quảng bá vật lí

PC

Power Control

Điều khiển công suất

PCCH

Paging Control Channel

Kênh điều khiển tìm gọi

PCFICH

Physical Control Format Indicator Channel

Kênh vật lí chỉ thị định dạng điều khiển

PCH

Paging Channel

Kênh tìm gọi

PCRF

Policy Control and charging Rules Function

Bộ phận chức năng quản lí chính sách và tính cước

PDCCH

Physical Downlink Control Channel

Kênh điều khiển vật lí đường xuống

PDCP

Packet Data Convergence

Giao thức điều khiển hội tụ dữ liệu gói

PDN

Packet Data Network

Mạng dữ liệu gói

PDSCH

Physical Downlink Shared Channel

Kênh chia sẻ vật lí đường xuống

P-GW

PDN - Gateway

Node truy nhập đến PDN trong mạng lõi LTE

PHICH

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel

Kênh vật lí chỉ thị HARQ

PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất

PMCH

Physical Multicast Channel

Kênh vật lí đa điểm

PRACH

Physical Random Access Channel

Kênh vật lí truy nhập ngẫu nhiên

PS

Packet Scheduling

Lập lịch gói

PUCCH

Physical Uplink Control Channel

Kênh điều khiển vật lí đường lên

PUSCH

Physical Uplink Shared Channel

Kênh chia sẻ vật lí đường lên

RACH

Random Access Channel

Kênh truy nhập ngẫu nhiên

RLC

Radio Link Control

Điêu khiển liên kết vô tuyến

RRU

Radio Resource Unit

Đơn vị tài nguyên vô tuyến

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

ix

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Thuật ngữ viết tắt

RRC

Radio Resource Control

Lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến

RRM

Radio Resource Management

Quản lí tài nguyên vô tuyến

RSRP

Reference Symbol Received Power

Công suất thu của kí hiệu tham chiếu

RSRQ

Reference Symbol Received Quality

Chất lượng thu của kí hiệu tham chiếu

RSSI

Received Signal Strength Indicator

Chỉ thị cường độ tín hiệu thu

RT

Real-Time

Theo thời gian thực

SAE

System Architecture Evolution

Kiến trúc hệ thống cải tiến

SC-FDMA Single Carrier – Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang

SCTP

Stream Control Transmission Protocol

Giao thức điều khiển truyền dẫn luồng

SIR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

S-GW

Serving Gateway

Node phục vụ trong mạng lõi LTE

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TDD

Time Division Duplexing

Truyền dẫn song công phân chia theo thời gian

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức UDP

UL-SCH

UpLink Shared Channel

Kênh chia sẻ đường lên

UMTS

Universal Mobile Telecommunications System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (mạng 3G)

VoIP

Voice over Internet Protocol

Thoại trên nền giao thức Internet

WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

WiMAX

Worldwide interoperability for Microwave Chuẩn WiMAX Access

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

x

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE 1.1 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA LTE 1.1.1 Bối cảnh lịch sử LTE là một trong những bước tiến mới nhất trong các hệ thống viễn thông di động. Các hệ thống viễn thông di động mặt đất bắt đầu được nghiên cứu và phát triển bắt đầu từ năm 1947 với khái niệm cell từ phòng thí nghiệm Bell, Hoa Kì. Việc sử dụng các cell (tế bào) cho phép dung lượng của mạng di động tăng một cách đáng kể, bằng cách chi nhỏ vùng phủ thành các cell nhỉ với trạm gốc hoạt động ở mỗi cell với một tần số riêng biệt. Các hệ thống đầu tiên chỉ giới hạn trong phạm vi biên giới quốc gia. Chúng chỉ có được một số lượng nhỏ người dùng, vì giá thành cho các thiết bị là rất cao, mặt khác chúng lại rất cồng kềnh và ngốn nguồn điện, vì thế chỉ thực sự hoạt động tốt khi đi kèm với ô tô. Hệ thống thông tin di động đầu tiên với qua mô lớn xuất hiện trên thị trường vào những năm 1980 và còn được gọi là hệ thống “Thế hệ thứ nhất” (1G). Hệ thống 1G sử dụng công nghệ analog và bao gồm nhiều mạng được phát triển trên toàn thế giới (ví dụ như AMPS ở Mĩ, TACS ở châu Âu, NMT ở một phần của châu Âu, J-TACS ở Nhật Bản và Hồng Kông). Quá trình chuyển vùng quốc tế trở thành hiện thực lần đầu tiên với sự phát triển của mạng di động “Thế hệ thứ hai” (2G) với hệ thống GSM, dựa hoàn toàn trên công nghệ số. Sự thành công của GSM dựa trên tinh thần hợp tác để phát triển bằng cách tập hợp một số các công ty hàng đầu của châu Âu làm việc cùng nhau trong tổ chức ETSI, GSM đã thực sự trở thành một chuẩn mạnh mẽ và được chấp nhận rộng rãi. Được tiếp sức bởi sự phát triển của công nghệ sản xuất các thiết bị cầm tay với hình dáng nhỏ hơn, hợp thời trang và thời lượng pin dài hơn, sự chấp nhận đối với chuẩn GSM vượt quá kì vọng ban đầu và giúp tạo nên một thị trường mới rất rộng lớn. Kết quả của việc sự thâm nhập ngày càng phổ biến của các điện thoại GSM trên toàn cầu dẫn đến việc thông tin liên lạc dễ dàng hơn trước đó rất nhiều, bắt đầu là thoại và tin nhắn văn bản, sau đó là các dịch vụ dữ liệu ngày càng phát triển hơn. Với sự phát triển của thế giới, GSM bắt đầu kết nối các cộng đồng và cá nhân ở các vùng cách xa nhau mà đường dây cố định không kết nối với nhau được hoặc quá đắt đỏ để có thể triển khai. Sự tiện dụng của các mạng di động thân thiện với người sử dụng cùng với sự hiểu biết ngày càng tăng của người dùng với các công nghệ cũng như độ tin cậy thực tế của chúng, tạo nên bối cảnh phát triển thuận lợi cho các hệ thống mới với công nghệ tiên tiến hơn và cung cấp dịch vụ tốt hơn. Phần tiếp theo sẽ chỉ ra một loạt các bước tiến tiếp nối thành công của hệ thống GSM, mà đỉnh cao là sự phát triển của hệ thống LTE (Long Term Evolution of UMTS – Hệ thống phát triển dài hạn của mạng thông tin di động toàn cầu 3G). SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

1

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

1.1.2 LTE trong tương quan với các công nghệ vô tuyến di động Khác với các công nghệ truyền dẫn sử dụng dây dẫn như đường cáp đồng hay cáp quang, phổ tần vô tuyến là một môi trường được chia sẻ bởi nhiều công nghệ khác nhau và chúng có thể gây nhiễu lẫn nhau. Vì thế, cơ quản quản lí tần số, mà cụ thể ở đây là ITU-R (bộ phận phụ trách vô tuyến của liên minh viễn thông quốc tế) và cả cơ quan quản lí cấp khu vực và cấp quốc gia giữ vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng của các công nghệ vô tuyến vì họ quyết định xem phần nào của phổ tần và bao nhiêu băng thông được sử dụng dành cho các dịch vụ và công nghệ riêng biệt. Các chức năng của cơ quan quản lí và các tổ chức chuẩn hóa có thể được tổng kết lại bởi mối quan hệ như sau: Tốc độ dữ liệu = Băng thông × Hiệu quả sử dụng phổ tần (Các quy định và giấy phép) (Công nghệ và tiêu chuẩn) (ITU-R, các cơ quan quản lí)

Trên cấp độ toàn thế giới, ITU-R xác định một họ các công nghệ và phân bố các phần của phổ tần tương ứng với các họ này. Được hỗ trợ bởi ITU-R, phổ tần của các công nghệ di động được xác định với các chuẩn công nghệ vô tuyến đáp ứng được yêu cầu của ITU-R để có thể là thành viên của gia đình “Viễn thông di động quốc tế” (IMT). IMT bao gồm các hệ thống 3G và các hệ thống đang được phát triển. Từ góc độ tiêu chuẩn công nghệ, có ba tổ chức chính phát triển các tiêu chuẩn phù hợp với yêu cầu của IMT, và ba tổ chức này tiếp tục chi phối bức tranh chung về các hệ thống vô tuyến di động (hình 1.1). Mũi tên trên cùng trong hình 1.1 chỉ ra quá trình phát triển các chuẩn của tổ chức 3GPP (Dự án đối tác mạng di động thế hệ thứ ba). 3GPP đã phát triển một số chuẩn như sau: đầu tiên là thế hệ thứ hai, họ chuẩn GSM/GPRS/EDGE dựa trên nền tảng đa truy nhập phân chia theo thời gian và phân chia theo tần số (TDMA/FDMA); “thế hệ thứ ba” họ chuẩn UMTS đánh dấu bởi việc sử dụng đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), được biết đến với các tên CDMA băng rộng (băng tần dành cho sóng mang lên đến 5 MHz) hay còn gọi là WCDMA; cuối cùng là LTE (mạng di động phát triển dài hạn) dựa trên nền công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Mục tiêu của hệ thống LTE đó là mở rộng xu hướng về các dịch vụ được cung cấp vượt xa so với việc chỉ cung cấp cuộc gọi thoại thông thường. LTE được thiết kế với mục đích cho phép tất các dich vụ hoạt động trên nền chuyển mạch gói thay vì chuyển mạch kênh như trước đây. Thêm vào đó, LTE cũng đi kèm với một hệ thống mạng lõi được cải tiến – SAE (Kiến trúc hệ thống tiến hóa). SAE chứa đựng mạng lõi gói đã được cải tiến (EPC). Kết hợp với nhau, LTE và SAE tạo thành hệ thống chuyển gói tiến hóa (EPS), với việc cả mạng lõi lẫn mạng truy nhập vô tuyến đều hoàn toàn sử dụng chuyển mạch gói. SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

2

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

Hình 1.1 Các phương hướng tiến lên chuẩn 4G Sự phát triển các công nghệ truy nhập vô tuyến kế thừa LTE sẽ vẫn được tiếp tục bởi 3GPP. Kể từ Release 99 chuẩn hóa đối với UMTS, hàng loạt các cải tiến mới được thêm vào qua mỗi release trong khi vẫn đảm bảo tính tương thích với các phiên bản trước đó: công nghệ truy nhập gói đường xuống tốc độ cao (HSDPA) trong release 5, truy nhập gói đường lên tốc độ cao (HSUPA) trong release 6, kết hợp lại còn được gọi là truy nhập gói tốc độ cao (HSPA), HSPA được cải tiến trong release 7 để thành HSPA+ bằng cách sử dụng điều chế bậc cao kết hợp với truyền dẫn đa luồng qua công nghệ đa ănten MIMO. Các release 8, 9, 10 hỗ trợ việc hoạt động nhiều sóng mang 5MHz cùng lúc ở đường lên và đường xuống. Phiên bản đầu tiên của LTE ra đời thông qua release 8 của 3GPP với việc sử dụng những tiến bộ từ HSPA và HSPA+. LTE có thể hoạt động ở cả chế độ song công theo tần số (FDD) lẫn song công theo thời gian (TDD). Phiên bản thứ hai của LTE được phát triển tiếp trong các release 9 và release 10, với tên gọi LTE-Advanced. Mũi tên phát triển thứ hai trong hình 1.1 cũng được thực hiện bởi một tổ chức đối tác tương tự như 3GPP đó là 3GPP2. CDMA2000 được phát triển trên nền tảng của chuẩn IS-95 ở Hoa Kì, là mạng di động tế bào đầu tiên sử dụng công nghệ CDMA; được phát triển chủ yếu ở Mĩ, Hàn Quốc và Nhật Bản. Các tiêu chuẩn của 3GPP2 tiếp tục với việc hướng đến một hệ thống hướng đến dịch vụ dữ liệu (EV-DO), tương tự như hướng đi của 3GPP. Cần lưu ý rằng LTE có thể hoạt động tương thích hoàn toàn

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

3

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

với các hệ thống mạng đươc phát triển bởi 3GPP2, điều này cho phép sự chuyển đổi dễ dàng sang LTE với các nhà mạng đã đi theo hướng phát triển của 3GPP2. Mũi tên phát triển cuối cùng được phát triển bởi IEEE, tạo nên họ “802.16” – một tiêu chuẩn truy nhập băng rộng không dây. Chuẩn này cũng hoàn toàn dựa trên chuyển mạch gói. Chuẩn này còn được gọi là WiMAX và được thúc đẩy bởi WiMAX Forum. Phiên bản đầu tiên 802.16-2004 chỉ dành cho truy nhập cố định, trong khí đó phiên bản thứ hai 802.16e hỗ trợ cả di động và vì thế còn được gọi là “WiMAX di động”. Tuy nhiên, cần chú ý rằng hệ thống WiMAX không được thiết kế với cùng điểm nhấn vào tính di động và tính tương thích với mạng lõi của các nhà điều hành mạng như các tiêu chuẩn của 3GPP. Tuy vậy, thế hệ mới nhất được phát triển bởi IEEE là 802.16m có cùng mục tiêu như LTE-Advanced đó là đáp ứng chuẩn 4G đặt ra bởi ITU. 1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM YÊU CẦU VÀ MỤC TIÊU ĐỐI VỚI LTE Bảng 1.1 So sánh các yêu cầu và mục tiêu cơ bản của LTE Release 8 với Release 6

Đường xuống

Yêu cầu cần đạt

Chú giải

Tốc độ truyền dẫn đỉnh

> 100 Mbps

14,4 Mbps

LTE: 20 MHz FDD, ghép kênh không gian 2 × 2.

Hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh

>5bps/ Hz

3bps/ Hz

HSDPA, 5 MHz FDD, đơn anten LTE: ghép kênh không gian 2 × 2, máy thu IRC.

Hiệu suất phổ tần trung bình của cell

>1,6 – 2,1 bps/Hz/cell

0,53 bps/Hz/cell

Hiệu suất phổ tần ở biên cell

>0,04 – 0,06 bps/Hz/user

0,02 bps/Hz/user

Như trên, giả sử có 10 người sử dụng mỗi cell

N/A

Vật mang riêng cho chế độ broadcast

Hiệu suất phổ tần >1 bps/Hz broadcast Đường lên

Release 6 (nhằm so sánh)

HSDPA: máy thu Rake, 2 anten thu.

Tốc độ truyền dẫn đỉnh

>50 Mbps

11 Mbps

LTE: 20 Mhz FDD, truyền dẫn đơn anten.

Hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh

>2,5 bps/Hz

2 bps/Hz

HSUPA: 5MHz FDD, truyền dẫn đơn anten

Hiệu suất phổ tần trung bình của cell

>0,66 – 1,0 bps/Hz/cell

0,33 bps/Hz/cell

Hiệu suất phổ tần ở biên cell

> 0,02 – 0,03 bps/Hz/user

0,01 bps/Hz/user

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

LTE: truyền dẫn đơn anten, máy thu IRC. HSUPA: máy thu Rake, 2 anten thu Như trên, giả sử có 10 người dùng mỗi cell 4

Hệ thống

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

Trễ mặt phẳng người dùng (trễ vô tuyến hai chiều)

< 10 ms

Mục tiêu của LTE bằng khoảng 1/5 so với công nghệ tham chiếu (release 6)

Trễ thiết lập kết nối

< 100 ms

Từ trạng thái tĩnh sang trạng thái hoạt động

Băng thông hoạt động

1,4 – 20 MHz

Dung lượng VoIP

NGMN đặt mục tiêu là > 60 phiên/MHz/cell

5 MHz

(yêu cầu khởi tạo bắt đầu từ mức 1,25 MHz)

Bảng 1.1 chỉ ra so sánh giữa các thông số của LTE (3GPP release 8) và 3GPP release 6. Từ việc so sánh với một tiêu chuẩn được 3GPP phát triển sau 3G cụ thể ở đây là release 6, ta có thể tổng kết các đặc điểm yêu cầu và mục tiêu cần phải đạt đến của LTE được như sau: -

Giảm độ trễ, cả trong quá trình thiết lập kết nối cũng như trong quá trình truyền dẫn.

-

Tăng tốc độ dữ liệu cho người dùng.

-

Tăng tốc độ bit ở biên của cell, cho phép đồng bộ chất lượng dịch vụ;

-

Cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần;

-

Tăng tính linh hoạt trong việc sử dụng phổ tần, cả ở các băng tần mới cũng như các băng tần đã sử dụng;

-

Đơn giản hóa cấu trúc mạng;

-

Cung cấp khả năng di động một cách thông suốt và liền mạch, bao gồm cả giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau;

-

Tiêu thụ điện năng một cách hợp lí đối với các thiết bị đầu cuối di động

1.3 KIẾN TRÚC TỔNG QUÁT VỀ MẠNG LTE Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu các kiểu kiến trúc của LTE bao gồm có kiến trúc mạng lõi, mạng truy nhập, kiến trúc roaming và kiến trúc giao thức. 1.3.1 Kiến trúc mạng lõi của LTE EPS cung cấp cho người dùng kết nối IP đến một PDN để truy nhập Internet, cũng như chạy các dịch vụ như VoIP. Một vật mang EPS sẽ được thiết lập với một QoS nhất định. Nhiều vật mang có thể được thiết lập cùng lúc đến một người sử dụng để cung cấp các luồng QoS khác nhau hoặc các kết nối đến các PDN khác nhau. Ví dụ, một người dùng có thể nhận một cuộc gọi VoIP trong khi vẫn đang duyệt web hay download file thông qua giao thức FTP. Một vật mang dành cho cuộc gọi VoIP cso thể cung cấp QoS cần thiết cho cuộc gọi thoại, trong khi vật mang theo kiểu nỗ lực tối đa

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

5

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

(best-effort) thích hợp cho việc duyệt web hoặc các phiên FTP. Hệ thống mạng cũng phải cung cấp quá trình bảo mật và chính sách cho người dùng.

Hình 1.2 Kiến trúc tổng quát mạng lõi LTE Chức năng của các thiết bị trong mạng lõi Mạng lõi (được gọi là EPC trong SAE) có trách nhiệm điều khiển UE và thiết lập các vật mang. Các node mạng trong EPC gồm có: -

Gateway PDN (P-GW);

-

Gateway phục vụ (S-GW);

-

Thực thể quản lí di động (MME);

-

Trung tâm dịch vụ định vị di động (E-SMLC) .

Bên cạnh các node này, EPC cũng có thêm các node logic khác và các chức năng như Gateway trung tâm định vị di động (GMLC), server thuê bao nhà (HSS) và chức năng điều khiển chính sách và tính cước (PCRF). Vì EPS chỉ cung cấp vật mang với QoS xác định, quá trình điều khiển các ứng dụng đa phương tiện như VoIP được cung cấp bởi hệ thống IMS, hệ thống này hoạt động riêng biệt với EPS. Khi một người sử dụng chuyển vùng bên ngoài mạng nhà của thuê bao đó, P-GW, GMLC và miền IMS của người dùng có thể đặt ở mạng nhà hoặc mạng khách. Các node logic trong mạng lõi được chỉ ra trong hình 1 và có các chức năng như được mô tả dưới đây. • PCRF. PCRF chịu trách nhiệm quyết định chính sách điều khiển, cũng như kiểm soát chức năng tính cước theo luồng trong khối chức năng điều khiển chính sách bắt buộc đi liền với gateway P-GW. Khối chức năng PCRF cung cấp quá trình nhận thực QoS (xác định lớp QoS và tốc độ bit) qua đó quyết SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

6

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

định xem một dòng dữ liệu xác định trên PCEF sẽ được xử lí như thế nào và bảo đảm điều này phù hợp với profile mô tả của người sử dụng. • GMLC. GMLC chứa các chức năng cần thiết để hỗ trợ các dịnh định vị (LCS). Sau khi thực hiện quá trình nhận thực, nó gửi các yêu cầu xác định vị trí đến MME và nhận được các thông tin ước chừng chính thức về vị trí thuê bao. • HSS. Server thuê bao nhà (HSS) chứa dữ liệu mô tả SAE của người dùng như là profile về QoS của các thuê bao EPS và bất cứ hạn chế nào khi chuyển vùng. HSS cũng lưu trữ thông tin về các mạng PDN mà người sử dụng có thể kết nối. Điều này có thể được lưu dưới dạng tên điểm truy nhập (APN) (là một nhãn đặt tên theo quy ước DNS để miêu tả điểm truy nhập đến PDN), hoặc một địa chỉ PDN (chỉ một hoặc nhiều địa chỉ IP đã được đăng kí). Thêm vào đó, HSS lưu giữ các thông tin động như nhận dạng của MME về người sử dụng đang được gắn hoặc được đăng kí. Bên cạnh đó, HSS có thể tích hợp luôn cả trung tâm nhận thực (AuC) để tạo ra các vectơ dành cho các khóa nhận thực và bảo mật. • P-GW. P-GW chịu trách nhiệm phân bổ địa chỉ IP cho UE, cũng như bảo đảm QoS và quá trình tính cước dựa trên luồng theo đúng những quy định của PCRF. P-GW có trách nhiệm lọc các gói tin IP đường xuống đến người dùng theo các vật mang dựa trên QoS. P-GW thực hiện quá trình thiết lập bắt buộc QoS với các vật mang GBR tức cần đảm bảo tốc độ bit. P-GW cũng hoạt động như là một trạm trung chuyển để chuyển mạng giữa LTE với các mạng không được phát triển bởi 3GPP như là CDMA2000 và WiMAX. • S-GW. Tất cả các gói tin IP đều được chuyển qua S-GW, gateway này hoạt động như là cổng chuyển di động nội vùng dành cho các vật mang dữ liệu khi UE di chuyển giữa các eNodeB. Nó cũng giữ lại các thông tin về vật mang khi UE ở trang thái tĩnh và tạm thời lưu trữ đệm dữ liệu đường xuống trong khi MME đang bắt đầu tìm gọi UE để tái thiết lập vật mang. Thêm vào đó, S-GW còn thực hiện một số chức năng quản lí trong mạng khách, như là thu thập thông tin tính cước (ví dụ như số lượng dữ liệu gửi và nhận của thuê bao) và quá trình giám sát hợp pháp. Nó cũng hoạt động như trạm trung chuyển di động để hoạt động liên mạng với các tiêu chuẩn kĩ thuật đã được phát triển bởi 3GPP như là GPRS hay UMTS. •

MME. MME là node điều khiển để xử lí thông tin báo hiệu giữa UE và mạng lõi. Các giao thức hoạt động giữa UE và mạng lõi được gọi là các giao thức Non-Access Stratum. Chức năng chính được hỗ trợ bởi MME được phân loại như sau: Các chức năng liên quan đến việc quản lí vật mang. Bao gồm có thiết lập, duy trì và giải phóng các vật mang.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

7

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

Các chức năng liên quan đến việc quản lí kết nối. Bao gồm có việc thiết lập kết nối và bảo mật giữa mạng và UE. • E-SMLC. E-SMLC quản lí sự phối hợp tổng thể và lập lịch phân bổ các tài nguyên cần thiết để xác định vị trí của UE đang được gắn với E-UTRAN. Nó cũng tính toán vị trí cuối cùng dựa trên các ước lượng mà nó nhận được, qua đó ước tính tốc độ và độ chính xác đạt được của UE. 1.3.2 Kiến trúc mạng truy nhập của LTE

Hình 1.3 Kiến trúc tổng quát mạng truy nhập LTE Mạng truy nhập của LTE, E-UTRAN chỉ đơn giản bao gồm một mạng các eNodeB, như được mô tả ở trong hình 3. Đối với lưu lượng thông thường dành cho người dùng, không có một trung tâm điều khiển tập trung nào trong E-UTRAN, vì thế có thể nói kiến trúc E-UTRAN là kiến trúc “phẳng”. Các eNodeB kết nối với nhau thông qua giao diện X2, và kết nối với EPC thông qua giao diện S1, cụ thể hơn là kết nối MME thông qua giao diện S1-MME và kết nối với S-GW thông qua giao diện S1-U. E-UTRAN chịu trách nhiệm cho tất cả các chức năng liên quan đến vô tuyến, được tổng kết lại như sau: • Quản lí tài nguyên vô tuyến. Chức năng này bao gồm tất cả các chức năng liên quan đến các vật mang vô tuyến như điều khiển vật mang vô tuyến,

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

8

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

điều khiển quyền truy nhập, điều khiển di động, lập lịch và cấp phát động tài nguyên cho UE cả ở đường lên và đường xuống. • Nén mào đầu. Chức năng này bảo đảm việc sử dụng có hiệu quả các giao diện vô tuyến bằng cách nén các mào đầu IP có mào đầu khá lớn, đặc biệt là đối với các gói kích thước nhỏ như trong VoIP. • Bảo mật. Tất cả các dữ liệu được gửi qua giao diện vô tuyến đều được mã hóa. • Định vị. E-UTRAN cung cấp các thông số cần thiết và các dữ liệu khác cho E-SMLC và hỗ trợ E-SMLC trong việc xác định vị trí của UE. • Kết nối với EPC. Chức năng này bao gồm báo hiệu với MME và đường dẫn của vật mang nối với S-GW. Về phía mạng, tất cả các chức năng trên đều thuộc về eNodeB, mỗi eNodeB có trách nhiệm quản lí một số cell. Không như đối với mạng 2G và 3G, LTE tích hợp chức năng điều khiển vô tuyến vào eNodeB. Điều này cho phép thời gian đáp ứng nhanh hơn giữa các tầng giao thức của mạng truy nhập vô tuyến, qua đó giảm trễ, và cải thiện hiệu năng. Phương thức điều khiển phân tán này không cần đến một trung tâm điều khiển có khả năng sẵn sàng cũng như năng lực xử lí cao, dẫn đến việc giảm giá thành và tránh tình trạng hỏng một trung tâm điều khiển làm ngưng trệ cả hệ thống. Thêm vào đó, LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm nên không cần có chức năng tập trung các dữ liệu kết hợp ở trong mạng. Tuy nhiên, một hệ quả của việc không có trung tâm điều khiển tập trung đó là khi UE di chuyển, mạng sẽ phải chuyển tất cả các thông tin liên quan đến UE ví dụ như context của UE, cùng với các dữ liệu đệm, từ một eNodeB này sang một eNodeB khác. Cần có các cơ chế hoạt động ở giao diện X2 để nhằm tránh mất dữ liệu trong quá trình chuyển giao. Một tính năng quan trọng của giao diện S1 kết nối mạng truy nhập với mạng lõi đó là S1-flex. Đây là khái niệm về nhiều node ở mạng lõi (MME/S-GW) có thể hoạt động chung trong một vùng địa lí, được kết nối bởi một mạng mesh các eNodeB trong khu vực đó. Một eNodeB có thể hoạt động với nhiều MME/S-GW. Tập hợp các MME/SGW gọi là một pool area. Định nghĩa này cho phép các UE ở trong các cell được điều khiển bởi một eNodeB có thể được chia sẻ với nhiều node CN khác nhau, qua đó cung cấp khả năng chia sẻ tải và tránh việc hỏng một node mạng lõi dẫn đến mạng không thể làm việc. Context của UE thường được giữ ở cùng một MME miễn là UE vẫn ở trong một pool area. 1.3.3 Kiến trúc Roaming Một mạng hoạt động bởi một nhà điều hành ở một nước được gọi là mạng di động công cộng mặt đất (PLMN). Chuyển vùng (roaming) là khi người sử dụng được phép kết nối với nhiều PLMN mà họ không phải là thuê bao, tạo nên một đặc tính mạnh mẽ cho các mạng di động và LTE/SAE không phải là ngoại lệ. Người dùng chuyển vùng được kết nối với E-UTRAN, MME và S-GW ở mạng LTE khách. Tuy nhiên, SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

9

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

LTE/SAE cho phép sử dụng P-GW của mạng nhà hoặc mạng khách, như hình 4. Sử dụng P-GW của mạng nhà cho phép người dùng có thể truy nhập đến các dịch vụ của nhà điều hành mạng nhà ngay cả khi đang ở mạng khách. Một P-GW của mạng khách cho phép một “local breakout” (truy nhập địa phương) đến Internet trong mạng khách.

Hình 1.4 Kiến trúc roaming trong LTE 1.3.4 Kiến trúc giao thức Ở phần này chúng ta sẽ có cái nhìn tổng quát về kiến trúc giao thức trong E-UTRAN. 1.3.4.1 Mặt phẳng người dùng

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

10

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

Hình 1.5 Các giao thức trong mặt bằng người dùng trong LTE

Một gói tin IP đến một UE được đóng gói trong một giao thức EPC riêng biệt và sau đó theo đường hầm tạo giữa P-GW và eNodeB truyền đến UE. Các giao thức đường hầm khác nhau được sử dụng thông qua các giao diện khác nhau. Giao thức đường hầm được xây dựng bởi 3GPP là Giao thức đường hầm GPRS (GTP) được dùng giưa các giao diện lõi mạng, S1 và S5/S8. Chồng giao thức mặt phẳng người dùng E-UTRAN (tô đậm trong hình 1.5) bao gồm giao thức hội tụ dữ liệu gói (Packet Data Convergence - PDCP), lớp điều khiển liên kết vô tuyến (Radio Link Control - RLC) và lớp điều khiển phương tiện truy nhập (MAC) kết cuối ở eNodeB về phía mạng. Vì không có một trung tâm điều khiển tập trung nào, dữ liệu được lưu đệm trong quá trình chuyển giao do sự di động của người dùng trong E-UTRAN phải được xử lí bởi chính eNodeB. Giao thức PDCP chịu trách nhiệm bảo vệ dữ liệu trong khi chuyển giao. Giao thức lớp RLC và MAC đều được tái khởi động trong cell mới sau khi quá trình chuyển giao hoàn thành. 1.3.4.2 Mặt phẳng điều khiển Chồng giao thức mặt phẳng điều khiển giữa UE và MME được chỉ ra trong hình 1.6 dưới đây. Phần tô đậm chỉ thị các giao thức AS. Các lớp thấp hơn thực hiện cùng chức năng như trong mặt phẳng người dùng ngoại trừ việc không có chức năng nén mào đầu trong mặt phẳng điều khiển. Giao thức điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC protocol) được biết đến như “Lớp 3” trong chồng giao thức AS. Đây là chức năng chính trong AS, chịu trách nhiệm thiết lập vật mang vô tuyến và cấu hình tất cả các lớp thấp hơn sử dụng báo hiệu RRC giữa eNodeB và UE.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

11

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

Hình 1.6 Các giao thức trong mặt bằng điều khiển trong LTE

1.4 MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA LTE 1.4.1 Khoảng băng tần sử dụng cho LTE Có rất nhiều khoảng băng tần có thể được sử dụng trong hệ thống LTE, tùy thuộc vào từng quốc gia hoặc lục địa. Các mạng LTE có thể triển khai trên các băng tần đã tồn tại hoặc băng tần mới như: • Băng tần 900 MHz và 1800 MHz hiện đang dành cho hệ thống GSM; • Băng tần 850 MHz và 1900 MHz dành cho hệ thống GSM ở Bắc Mĩ; • Băng tần 700 MHz dành cho mạng truyền hình quảng bá analog và đang được thay thế dần bởi các hệ thống truyền hình số; • Băng tần 2100 MHz ở ngoài nước Mĩ, và băng tần kết hợp 1700 MHz và 2100 MHz ở Mĩ đang được dùng rộng rãi cho các hệ thống 3G như là UMTS/WCDMA và HSPA; • Băng tần mới 2600 MHz hiện chưa được sử dụng ở hầu khắp thế giới. 1.4.2 Các loại kênh truyền dẫn trong LTE Các loại kênh trong LTE được phân chia làm 3 loại: • Kênh vật lí: là các kênh truyền dẫn dùng để mang dữ liệu của người dùng và các bản tin điều khiển. • Kênh giao vận: Các kênh giao vận thuộc phân lớp vật lí cho phép trao đổi thông tin giữa lớp MAC và các lớp cao hơn. • Kênh logic: Cung cấp dịch vụ cho lớp MAC trong cấu trúc giao thức của LTE. 1.4.2.1 Kênh vật lí SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

12

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

• Đường xuống:  Kênh chia sẻ vật lí đường xuống (PDSCH – Physical Downlink Shared Channel): Sử dụng để truyền dẫn dữ liệu của người dùng, kênh PDSCH được thiết kế dành cho tốc độ dữ liệu cao. Các sơ đồ điều chế tùy chọn bao gồm có QPSK, 16-QAM, và 64-QAM.  Kênh quảng bá vật lí (PBCH – Physical Broadcast Channel): Kênh vật lí này mang các thông tin hệ thống cho các UE cần thiết để truy cập mạng. Nó chỉ mang các thông tin định dạng của cell và các thông số cần thiết kiểm soát truy nhập cần thiết. Kênh này guiử bản tin mỗi 40 ms và chỉ sử dụng điều chế QPSK.  Kênh điều khiển vật lí đường xuống (PDCCH – Physical Downlink Control Channel): kênh vật lí này sử dụng điều chế QPSK. Mục đích chính của kênh vật lí này là mang các thông tin các thông tin phân bổ và lập lịch tài nguyên chia làm 4 loại như sau:  Lập lịch tài nguyên đường xuống  Hướng dẫn điều khiển công suất đường lên  Cấp phép sử dụng tài nguyên đường xuống  Chỉ thị các thông tin hoa tiêu hoặc thông tin hệ thống.  Kênh chỉ thị định dạng điều khiển vật lí (PCFICH – Physical Control Format Indicator Channel): kênh này thông báo cho UE biết định dạng tín hiệu mà nó sẽ nhận. Nó chỉ ra số các kí hiệu OFDM sử dụng cho PDCCH là 1, 2 hay là 3. Thông tin từ kênh PCFICH là cần thiết vì UE không có thông tin trước đó về kích thước của vùng điều khiển. Kênh này cũng sử dụng điều chế QPSK.  Kênh vật lí đa điểm (PMCH – Physical Multicast Channel): Kênh PMCH mang thông tin muticast (đa điểm), và cũng như PDSCH, PMCH có nhiều lựa chọn điều chế bao gồm QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Thông tin multicast được gửi đến nhiều UE cùng lúc.  Kênh vật lí chỉ thị HARQ (PHICH – Physical Hybrid ARQ Indicator Channel): Kênh vật lí này mang thông tin phản hồi đối với truyền dẫn đường lên (ACK/NACK). Các bản tin ACK và NACK xác nhận dữ liệu đã được truyền đi hoặc yêu cầu truyền dẫn lại các khối dữ liệu thu không chính xác. • Đường lên:  Kênh chia sẻ vật lí đường lên (PUSCH – Physical Uplink Shared Channel): Chức năng tương tự như PDSCH. Có thể dùng điều chế QPSK, 16-QAM, 64QAM. Tài nguyên trên kênh PUSCH được phân bổ dựa trên bộ lập lịch đường lên.  Kênh điều khiển vật lí đường lên (PUCCH – Physical Uplink Control Channel): Kênh PUCCH cung cấp thông tin điều khiển đường lên và không SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

13

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

bao giờ truyền cùng lúc với dữ liệu trên kênh PUSCH. PUCCH chứa các thông tin điều khiển bao gồm chất lượng kênh (CQI – Channel Quality Indication), đáp ứng ACK/NACK ccủa UE trong cơ chế HARQ, và các yêu cầu lập lịch đường lên.  Kênh vật lí truy nhập ngẫu nhiên (PRACH – Physical Random Access Channel): Kênh PRACH mang các yêu cầu dành các dịch vụ từ các thiết bị di động. Kênh này truyền các yêu cầu truy nhập khi một thiết bị di động muốn truy nhập vào hệ thống (thiết lập cuộc gọi hoặc đáp ứng thông tin tìm gọi). 1.4.2.2 Kênh giao vận Kênh giao vận trong LTE khác nhau giữa đường lên và đường xuống khi mỗi phía có một yêu cầu khác biệt và hoạt động theo những cách khác nhau. Các kênh giao vận dùng để chuyển thông tin giữa lớp MAC và các lớp cao hơn. • Đường xuống:  Kênh quảng bá (BCH – Broadcast Channel): Kênh giao vận LTE tương ứng với kênh điều khiển quảng bá (BCCH – Broadcast Control Channel).  Kênh chia sẻ đường xuống (DL-SCH – Downlink Shared Channel): Kênh giao vận này là kênh chính để truyền dữ liệu đường xuống. Nó được sử dụng bởi nhiều kênh logic.  Kênh tìm gọi (PCH – Paging Channel): dùng để truyền tải kênh PCCH.  Kênh multicast (MCH- Multicast Channel): Kênh giao vân này dùng để truyền thông tin MCCH dành cho việc thiết lập truyền dẫn đa điểm. • Đường lên:  Kênh chia sẻ đường lên (UL-SCH – Uplink Shared Channel): Kênh giao vận này là kênh chính cho việc truyền dẫn dữ liệu đường lên, được sử dụng bởi nhiều kênh logic.  Kênh truy nhập ngẫu nhiên (RACH – Random Access Channel): dành cho việc truy nhập ngẫu nhiên. 1.4.2.3 Kênh logic Các kênh logic bao gồm dữ liệu được mang trên các giao diện vô tuyến. Có thể phân kênh logic ra làm hai loại chính theo chức năng là: kênh điều khiển và kênh lưu lượng. • Kênh điều khiển: Các kênh điều khiển trong LTE mang các thông tin của mặt bằng điều khiể, bao gồm có:  Kênh điều khiển quảng bá (BCCH – Broadcast Control Channel): Kênh điều khiển này cung cấp thông tin hệ thống đến tất cả các đầu cuối di động kết nối với eNodeB.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

14

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

 Kênh điều khiển tìm gọi (PCCH – Paging Control Channel): Kênh này sử dụng cho cá thông tin tìm gọi một UE trong mạng.  Kênh điều khiển chung (CCCH – Common Control Channel): Kênh này dùng cho các thông tin truy nhập ngẫu nhiê, ví dụ như các hoạt động thiết lập kết nối.  Kênh điều khiển riêng (DCCH – Dedicated Control Channel): Kênh điều khiển này được sử dụng trong việc mang các thông tin điều khiển riêng cho mỗi người dùng, ví dụ như các hoạt động điều khiển bao gồm có điều khiển công suất, chuyển giao, v.v… • Kênh lưu lượng: các kênh lưu lượng trong LTE dùng để truyền dữ liệu trong mặt bằng người sử dụng, gồm có:  Kênh lưu lượng dành riêng (DTCH – Dedicated Traffic Channel): Kênh lưu lượng này dùng cho việc truyền dẫn dữ liệu của người sử dụng.  Kênh lưu lượng đa điểm (MTCH – Multicast Traffic Channel): Kênh này được sử dụng cho việc truyền dữ liệu đa điểm. 1.5 CÁC KĨ THUẬT MỚI ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG LTE 1.5.1 Kĩ thuật đa truy nhập Sử dụng kĩ thuật đa sóng mang cho đa truy nhập trong LTE là lựa chọn đầu tiên khi bắt đầu thiết kế. Sau khi cân nhắc lựa chọn, các hệ thống được xem xét đến cho đường xuống là Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) và Đa - đa truy nhập phân chia theo mã (Multiple WCDMA), trong khi đối với đường xuống là Đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang (SC-FDMA), OFDMA và Multiple WCDMA. Cuối cùng, OFDMA được chọn cho đường xuống và SC-FDMA được chọn cho đường lên. Cả hai phương án này cho phép sử dụng dải tần số một cách linh hoạt và hiệu quả

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

15

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

Hình 1.7 Công nghệ OFDMA cho đường xuống và SC-FDMA dành cho đường lên trong LTE

Hình 1.8 Minh họa phân bổ sóng mang cho các người dùng trong mạng LTE OFDMA mở rộng kĩ thuật đa sóng mang OFDM để có thể mang đến một hệ thống đa truy nhập rất linh hoạt. OFDM chia nhỏ băng thông được cấp cho việc truyền dẫn tín hiệu thành một tập hợp nhiều sóng mang con băng hẹp, sắp xếp sao cho chúng trực giao với nhau, các sóng mang con này có thể tự mang luồng thông tin hoặc kết hợp với nhau để mang thông tin; trong OFDMA, các phân chia băng thông này được khai thác trong việc chia sẻ các sóng mang con giữa nhiều người sử dụng. Sự linh hoạt này có thể được sử dụng theo nhiều cách: • Các khoảng băng tần khác nhau có thể được sử dụng tối ưu mà không cần phải thay đổi các tham số cơ bản của hệ thống hay thiết kế của thiết bị; SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

16

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

• Tài nguyên truyền dẫn mà ở đây là băng thống có thể được phân bổ cho các người dùng và lập lịch một cách thoải mái trong miền tần số; • Tạo điều kiên cho việc tái sử dụng tần số và điều phối nhiễu giữa các cell với nhau. Hệ thống truyền dẫn thiết kế cho OFDM thường có giá thành cao, vì tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) của tín hiệu OFDM thường khá cao, dẫn đến việc cần phải có một bộ lọc tuyến tính RF công suất cao. Tuy vậy, những hạn chế này không ảnh hưởng đến việc sử dụng OFDM dành cho truyền dẫn đường xuống, nên những phương án triển khai với chi phí thấp sẽ không được ưu tiên khi thực hiện ở trạm gốc.

Hình 1.9 Cấu trúc tổng quát chuỗi thu và phát trong LTE Ở phía đường lên, tỉ số PAPR cao của OFDM là cản trở lớn trong quá trình truyền dẫn của các thiết bị đầu cuối di động, khi thiết bị di động phải đáp ứng yêu cầu về công suất cần thiết để có được vùng phủ rộng, và giá thành của các bộ lọc công suất. SC-FDMA mang đến công nghệ đa truy nhập có nhiều điểm tương đồng với OFDMA, đặc biệt là sự linh hoạt trong miền tần số, và việc thêm vào khoảng bảo vệ ở đầu của mỗi symbol được truyền dẫn để tương thích với bộ cân bằng trong miền tần số có độ phức tạp không cao ở phía thu. Đồng thời, SC-FDMA có tỉ số PAPR thấp hơn đáng kể. Qua đó, SC-FDMA có thể giải quyết những khó khăn khi triển khai trên đường lên qua đó những lợi ích của việc truyền dẫn đa sóng mang có thể được sử dụng trong khi tránh được giá cao của các thiết bị đầu cuối. 1.5.2 Kĩ thuật đa anten SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

17

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

Việc sử dụng kĩ thuật đa anten cho phép khai thác miền không gian theo một hướng hoàn toàn mới. Điều này là cần thiết để đáp ứng yêu cầu tăng hiệu năng sử dụng phổ. Với việc sử dụng kĩ thuật đa anten, về mặt lí thuyết thì hiệu quả sử dụng phổ tần thu được tăng một cách tuyến tính với số anten tối thiểu phát và thu được triển khai, ít nhất phù hợp với môi trường truyền dẫn vô tuyến. Kĩ thuật đa anten mở ra rất nhiều tính năng mới, nhưng không phải tất cả các tính năng này đều có thể dễ dàng đạt được như trong hứa hẹn trong lí thuyết khi triển khai trong thực tế. Kĩ thuật đa anten có thể được sử dụng theo rất nhiều cách, dựa trên ba nguyên tắc chính, được mô tả trong hình 1.10: • Tăng ích phân tập. Sử dụng phân tập không gian được cung cấp bởi kĩ thuật đa anten có thể tăng tính khả năng chống lại nhiễu đa đường của quá trình truyền dẫn. • Tăng ích mảng. Tâp trung năng lượng về một hoặc nhiều hướng cho trưức thông qua kĩ thuật precoding (tiền mã hóa) hoặc kĩ thuật beamforming (tạo búp sóng).Quá trình này cũng cho phép nhiều người dùng ở các hướng khác nhau có thể được phục vụ cùng lúc (nên còn được MIMO đa người dùng). • Tăng ích ghép kênh theo không gian. Quá trình truyền dẫn nhiều luồng tính hiệu của một người dùng duy nhất trên nhiều phân lớp không gian tạo ra bởi sự kết hợp của các anten.

Hình 1.10 Kĩ thuật đa anten trong LTE (a) Tăng ích phân tập (b) Tăng ích mảng (c) Tăng ích ghép kênh theo không gian Một phần quan trọng trong các nghiên cứu về LTE chính là việc dành cho việc lựa chọn và thiết kế các tính năng đa dạng của kĩ thuật đa anten để có thể triển khai trong LTE. Hệ thống cuối cùng bao gồm nhiều lựa chọn bổ sung cho phép sự thích nghi dễ dàng tùy theo quá trình triển khai mạng và các điều kiện truyền dẫn đến những người dùng khác nhau. 1.5.3 Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

18

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

LTE là hệ thống được thiết kế hoàn toàn trên nền chuyển mạch gói và đa dịch vụ, không còn sự phụ thuộc vào các giao thức chuyển mạch kênh theo hướng kết nối. Trong LTE, tiêu chí này được thể hiện qua tất cả các lớp của chồng giao thức. Các tuyến truyền được lâp lịch gói nhanh trên các giao diện vô tuyến được được thực hiện bởi HSDPA, điều này cho phép quá trình truyền dẫn các gói nhỏ có cùng . chu kì biến đổi như khoảng thời gian nhất quán của kênh phađinh nhanh (hình 9). Điều này đạt được bằng cáh kết hợp việc tối ưu hóa cấu hình của lớp vật lí và quản lí tài nguyên thực hiện bởi các giao thức lớp liên kết tùy thuộc vào điều kiện môi trường truyền dẫn. Tính chất này của HSDPA liên quan đến việc kết hợp chặt chẽ giữa hai lớp thấp hơn trong chồng giao thức là lớp MAC và lớp vật lí.

Hình 1.11 Lập lịch nhanh và thích ứng liên kết Trong HSDPA, sự kết hợp này bao gồm có các tính năng như phàn hồi trạng thái kênh nhanh, tương thích liên kết động, phân tập lập lịch triển khai với nhiều người sử dụng, và các giao thức truyền lại. Trong LTE, với yêu cầu giảm độ trễ hệ thống, chu kì của gói được giảm hơn nữa từ 2 ms đối với HSDPA xuống chỉ còn khoảng 1 ms. Chu kì truyền dẫn ngắn này cùng với các khía cạnh mới về tần số và không gian, đã tiếp tục mở rôngh hơn nữa kĩ thuật hoạt động liên lớp giữa lớp MAC và lớp vật lí, bao gồm các kĩ thuật sau: • Lập lịch thích ứng với cả chiều tần số và thời gian; • Thích ứng với cấu hình MIMO bao gồm cả chọn lựa một số lớp không gian để truyền dẫn cùng lúc; • Sự thích ứng liên kết của quá trình điều chế và tốc độ bit, bao gồm các số từ mã được truyền đi; • Nhiều chế độ báo cáo trạng thái kênh nhanh.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

19

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

1.5.4 Phân loại thiết bị của người sử dụng Trong thực tế, cần phải thấy rằng thị trường các thiết bị cầm tay rất rộng lớn và đa dạng, vì thế LTE cần phải có khả năng hỗ trợ các loại UE khác nhau với khả năng khác nhau để đáp ứng các phân khúc khác nhau của thị trường. Nhìn chung, mỗi phân khúc thị trường có những điểm ưu tiên nhất định như tốc độ bit đỉnh, kích cỡ của thiết bị, giá thành và thời lượng pin. Một số điểm đối lập có thể kể ra ở đây: • Hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao nhất là chìa khóa quan trọng để UE có thể thực thi một số chức năng, tuy nhiên lại yêu cầu UE phải có nhiều bộ nhớ để xử lí dữ liệu, khiến giá của UE bị tăng lên. • UE có kích thước lớn như laptop không bị hạn chế nhiều về việc tiêu thụ điện năng với số lượng anten được sử dụng; trong khi đó, các phân khúc thị trường khác yêu cầu những thiết bị cầm tay siêu mỏng có rất ít không gian dành cho nhiều anten hoặc pin cỡ lớn. Vì những lí do đó nên LTE cần phải hỗ trợ cho nhiều loại UE khác nhau để đáp ứng những yêu cầu khác nhau của các phân khúc thị trường. Tuy nhiên, hỗ trợ một lượng lớn các loại UE cũng có điểm bất lợi đó là mào đầu báo hiệu cho mỗi UE để báo cho mạng biết các chức năng của nó, cũng như là việc giá cả bị tăng lên do phải mở rộng và tăng tính phứuc tạp khi thử nghiệm tích tương thích với nhiều cấu hình khác nhau. Phiên bản LTE đầu tiên vì thế được thiết kết hỗ trợ năm chủng loại UE, từ các thiết bị cầm tay giá thấp dành cho UMTS HSPA cho đến các loại điện thoại chất lượng cao có thể triển khai các công nghệ mở rộng mới nhất của LTE. Bảng 1.2 dưới đây liệt kê các chủng loại UE mà LTE release 8 hỗ trợ. Có thể thấy rằng loại UE cao cấp nhất mà LTE Release 8 hỗ trợ có thể hoạt động và kiểm soát tốc độ dữ liệu đỉnh vượt xa so với yêu của Release 8. Bảng 1.2 Phân loại thiết bị cầm tay hỗ trợ bởi 3GPP release 8 và release 9

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

20

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động LTE

1.6 KẾT LUẬN Chương 1 này trình bày một cách tổng quan về mạng thông tin di động LTE, một hệ thống “3.9G” được phát triển bởi 3GPP trên nền của chuẩn công nghệ 3G UMTS. Mạng LTE được ứng dụng nhiều công nghệ mới như kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA ở đường xuống, đa truy nhập phân chia theo tần số đơn sóng mang SC – FDMA ở đường lên, kĩ thuật đa anten MIMO, phân loại thiết bị người sử dụng, … bên cạnh đó là việc chuyển toàn bộ hệ thống mạng truy nhập cũng như mạng lõi sang chuyển mạch gói. Các kĩ thuật được ứng dụng này đã giúp LTE đạt được các yêu cầu được đề ra như tăng tốc độ dữ liệu cho người dùng (trên 100 Mbps với đường lên, trên 50 Mbps với đường xuống trong điều kiện thử nghiệm), cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần (trên 5 bps/Hz với đường xuống và trên 2,5 bps đối với đường xuống), giảm độ trễ trong quá trình thiết lập kết nối (dưới 10 ms trong mặt bằng người dùng), tăng tốc độ bit ở biên cell, tăng tính linh hoạt khi sử dụng phổ tần, đơn giản hóa cấu trúc mạng, cung cấp khả năng di động thông suốt và liền mạch với cả các công nghệ truy nhập vô tuyến khác và bảo đảm tiêu thụ điện năng một cách hợp lí với các thiết bị di động. Các đặc điểm tiên tiến nói trên đã giúp cho LTE có bước phát triển vượt bậc so với công nghệ 3G UMTS và trở thành một hướng chính đi lên chuẩn 4G.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

21

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN 2.1 KHÁI NIỆM TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN Trước hết muốn hiểu về tài nguyên vô tuyến, ta đi vào một khái niệm cụ thể đó là đơn vị tài nguyên vô tuyến. Một đơn vị tài nguyên vô tuyến (RRU – Radio Resource Unit) ở đây được xác định là một tập hợp các thông số truyền dẫn cơ bản cần thiết để hỗ trợ cho sóng tín hiệu có thể truyền đi thông tin của người dùng tương ứng với dịch vụ mà người đó sử dụng. Cụ thể hơn, ta có: • Trong FDMA, đơn vị tài nguyên vô tuyến tương ứng với một khoảng băng thông nhất định trong tần số sóng mang cho trước. Ví dụ, trong hệ thống TACS, một đơn vị tài nguyên vô tuyến là một khoảng 25 kHz trong băng tần 900 MHz. • Trong TDMA, một đơn vị tài nguyên vô tuyến tương ứng với một cặp tần số sóng mang và một khe thời gian. Ví dụ, trong GSM, một đơn vị tài nguyên vô tuyến là một khe thời gian 0,577 ms trong mỗi 4,615 ms một và trên khoảng băng thông 200 kHz của băng tần 900 MHz, 1800 MHz và 1900 MHz. • Trong CDMA, một đơn vị tài nguyên vô tuyến được xác định bởi một tần số sóng mang, một chuỗi mã và một mức công suất nhất định. Sự khác biệt chính ở đây so với các công nghệ khác là mức công suất yêu cần thiết để hỗ trợ kết nối với người dùng không cố định mà phụ thuộc vào mức độ nhiễu. Ví dụ, đối với hệ thống UTRAN FDD đó là khoảng băng thông 5 MHz trong băng tần 2 GHz cũng như một cặp mã trực giao có độ dài khả biến (OVSF - Orthogonal Variable Spreading Factor) và mã trộn được xác định để hỗ trợ cho một dịch vụ cho trước. Tuy nhiên, số lượng các tài nguyên dành cho công suất phát cũng thay đổi theo thời gian tùy thuộc và các yếu tố bối cảnh, ví dụ như điều kiện truyền dẫn, nhiễu, mức độ tải của cell, …. Bên cạnh các yếu tố chính về mặt vật lí (tần số, khe thời gian, chuỗi mã và mức công suất), còn có các yếu tố vật lí khác ảnh hưởng đến quá trình truyền dẫn như các sơ đồ điều chế, sơ đồ mã hóa kênh, … . Có thể thấy rõ rằng tùy thuộc vào các phương án triển khai, các nhân tố ảnh hưởng có thể dẫn đến hiệu năng khác nhau. Tuy vậy, với định nghĩa khái niệm về một đơn vị tài nguyên vô tuyến, chỉ có những thông số truyền dẫn chính được cân nhắc đến. Cần phải chú ý rằng, với các hệ thống đa dịch vụ, mỗi dịch vụ có thể yêu cầu một số lượng đơn vị tài nguyên vô tuyến nhất định. Các dịch vụ cần tốc độ bit cao rõ ràng cần nhiều tài nguyên vô tuyến. Sẽ cần thêm các khoảng băng tần nếu cơ chế truy nhập là FDMA, thêm các khe thời thời gian trong trường hợp TDMA hoặc thêm các chuỗi mã cùng với mức công suất phát cao hơn nếu sử dụng CDMA.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

22

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

2.2 QUY HOẠCH MẠNG Mục tiêu của nhà điều hành mạng khi triển khai một hệ thống là có khả năng phục vụ các khách hàng với QoS đúng yêu cầu trong vùng phủ. Để đạt được điều này, một mạng tổng quát phải liên quan đến nhiều vấn đề phụ như vùng phủ của mạng, thiết kế mạng truyền dẫn và mạng lõi. Tập trung vào phần vô tuyến, vấn đề ở đây là phải cung cấp đủ số lượng đơn vị tài nguyên vô tuyến trong vùng phục vụ và đảm bảo chất lượng. Cần lưu ý rằng việc đầu tư của nhà điều hành vào cấu trúc mạng vô tuyến chủ yếu là vào số các trạm gốc hay các nodeB được triển khai, qua đó: • Tăng số người dùng được phục vụ. Số lượng người dùng càng cao, dung lượng của mạng càng phải cao, vì thế cần thêm các trạm gốc. • Mở rộng vùng phục vụ. Vùng phục vụ càng rộng, số trạm gốc càng tăng. • Tăng tốc độ truyền dẫn trung bình với người dùng. Tốc độ bit càng cao, số lượng các tài nguyên vô tuyến cần thiết càng cao. • Tăng mức độ QoS mong muốn. QoS càng cao, tài nguyên vô tuyến cần thiết càng phải nhiều. Vấn đề quyết định ở đây chính là giá gắn với việc đảm bảo QoS. Cách cơ bản nhất để đảm bảo QoS là sử dụng nhiều tài nguyên hơn mức cần thiết. Tất nhiên, vấn đề đáng quan tâm ở đây đó là cung cấp mức QoS mong muốn với tài nguyên tối thiểu nhất có thể, qua đó làm giảm tiền vốn đầu tư trong khi vẫn có thể đáp ứng những yêu cầu thiết kế mạng. Có thể nói kết quả của việc quy hoạch mạng vô tuyến sẽ là cung cấp số lượng RRU theo vùng phục vụ bằng các phương tiện là một cấu trúc mạng và cấu hình cho trước của cell. Cần chú ý rằng, khi mà số lượng dịch vụ và mức độ sử dụng dịch vụ thay đổi theo thời gian và không gian thì số lượng RRU được cung cấp cũng phải theo đổi tùy theo thời gian và không gian. Vì thế nên, quy hoạch mạng vô tuyến là một quá trình động, liên tục biến đổi. 2.3 KHÁI NIỆM QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN Như đã nêu ở phần trên, mạng vô tuyến triển khai để đáp ứng một tập hợp các yêu cầu về đơn vị tài nguyên vô tuyến, do đó, một số lượng nhất định của RRU được cung cấp trong vùng phục vụ vào khoảng thời gian nhất định. Vì thế, quá trình phân bổ thích hợp với nguồn tài nguyên vô tuyến được cung cấp đến người dùng trong mạng là rât cần thiết, khi mà người dùng yêu cầu dịch vụ và di chuyển. Các chức năng quản lí tài nguyên vô tuyến có vai trò chính là phân bổ và quản lí các đơn vị tài nguyên vô tuyến được cung cấp. Về cơ bản, bản chất của hệ thống di động là động. Tính động được hợp thành từ nhiều yếu tố: điều kiện truyền dẫn, điều kiện về lưu lượng tải, điều kiện nhiễu, …. Do đó, cần phải có một phương pháp quản lí động đối với tài nguyên vô tuyến, các cơ chế

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

23

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

RRM liên quan đến một số lượng lớn các thông số cần chọn lựa, tính toán, phân tích và tối ưu. Theo một khía cạnh khác thì quản lí tài nguyên vô tuyến là quá trình điều khiển ở mức hệ thống đối với nhiễu đồng kênh và các đặc tính truyền dẫn vô tuyến. Các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến (RRM) rất đa dạng, có thể kể ra ở đây như điều khiển công suất, phân bổ kênh, điều khiển chuyển giao, lập lịch gói. kể cả các sơ đồ điều chế và sơ đồ mã hóa sửa lỗi,v.v… Mục tiêu ở đây là phân bổ hiệu quả RRU, sử dụng tối thiểu tài nguyên trong khi vẫn đạt được hiệu suất mong muốn. 2.4 PHÂN LOẠI CÁC CƠ CHẾ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN Các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến có thể được phân loại theo một số tiêu chí sau: a) Tiêu chí đầu tiên là theo cơ sở dựa trên của cơ chế quản lí: • Các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến theo góc nhìn từ mạng, ví dụ như: điều khiển tiếp nhận kết nối (Admission control), điều khiển tải (Load Control), lập lịch gói (Packet scheduler), quản lí tài nguyên (Resource Manager), … • Các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến theo góc nhìn từ kết nối, ví dụ như: điều khiển chuyển giao (Handover Control), điều khiển công suất (Power Control) b) Tiêu chí thứ hai là tính động của cơ chế quản lí: • Cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến có thể là tĩnh, thường được thiết lập ngay từ khi thiết kế, quy hoạch mạng và các cell. Ví dụ như: kế hoạch phân bổ tần số, chọn lựa các thông số điều chế và mã hóa kênh, phân tập không gian với trạm gốc, … Có thể thấy đây là các cơ chế truyền thống thường được sử dụng trong nhiều mạng thông tin vô tuyến như là các hệ thống mạng 1G và 2G. Chúng ta quan tâm hơn đến các cơ chế quản lí động. • Cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến động: các cơ chế này thay đổi thích ứng theo các thông số như tải lưu lượng, vị trí người dùng, QoS yêu cầu.v.v… Các cơ chế RRM động được cân nhắc tới trong khi thiết kế hệ thống, nhằm giảm việc phụ thuộc vào việc hoạch định cell thủ công đắt đỏ và hướng tới việc tái sử dụng tài nguyên (tần số chẳng hạn) nhiều hơn, qua đó cải thiện hiệu năng hệ thống. Một số các cơ chế RRM động có thể kể ra gồm: − Cơ chế điều khiển công suất (Power control); − Cơ chế thích ứng kết nối (hay mã hóa và điều chế thích ứng) (Link Adaption); − Cơ chế quản lí tiếp nhận kết nối (Admission control); − Phân bổ băng thông động (Dynamic bandwidth allocation); − Cơ chế lập lịch gói (Packet scheduler); − Cơ chế điều khiển chuyển giao (Handover control); − Cơ chế lọc thích ứng (Adaptive filtering);

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

24

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

.... Tuy nhiên cần lưu ý là các cơ chế này không có một thực thể vật lí nhất định chỉ để thực hiện chúng trong mạng lõi, bên cạnh đó các cơ chế này thường có liên quan chặt chẽ với nhau, kết hợp với nhau để có thể đạt được hiệu quả khi phân bổ và quản lí tài nguyên. 2.5 CHỨC NĂNG VÀ NGUYÊN TẮC CỦA MỘT SỐ CƠ CHẾ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN CƠ BẢN Phần này sẽ trình bày chức năng, mục đích và nguyên tắc hoạt động của một số cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến cơ bản, trong đó chú trọng chủ yếu vào các cơ chế có liên quan đến các hệ thống mạng di động. 2.5.1 Cơ chế quản lí tiếp nhận kết nối (Admission Control) Chức năng của cơ chế quản lí kết nối là xử lí tất cả các lưu lượng đến, kiểm tra xem kết nối mới có được chấp nhận thiết lập trong hệ thống hay không, và nếu có thì tạo các thông số cho kết nối mới. Cơ chế quản lí tiếp nhận kết nối xảy ra khi có kết nối mới được thiết lập, trong quá trình chuyển giao và trong khi thay đổi các vật mang vô tuyến. Cụ thể hơn, cơ chế quản lí tiếp nhận kết nối quyết định xem một vật mang truy nhập vô tuyến có được chấp nhận hay không. Các yêu cầu thiết lập vật mang được chấp nhận khi hệ thống có thể đáp ứng được mức QoS cần thiết và mức QoS của các kết nối đang tồn tại không bị ảnh hưởng bởi kết nối mới. Vì thông lượng tối đa của một cell liên quan mật thiết đến nhiễu hay mức độ tải của cell, việc sử dụng các thuật toán quản lí kết nối dựa trên việc tính toán ước tính về tình trạng tải hiện tại của cell cũng như sự gia tăng tải tạo ra bởi yêu cầu mới. Cơ chế này thường được thực hiện một cách riêng rẽ ở đường lên và đường xuống của hệ thống vô tuyến, lí do là do những khác biệt trong hai hướng kết nối. Tuy vậy, một yêu cầu thiết lập kết nối chỉ được chấp nhận sau khi được cấp phép từ cả hai cơ chế tương ứng ở đường lên và đường xuống. Đối với các thế hệ mạng di động mới từ 3G trở đi, khách hàng sử dụng nhiều dịch vụ hơn là chỉ dùng dịch vụ thoại, ví dụ như các dịch vụ đa phương tiện (ví dụ: gọi thoại video, xem video trực tuyến, duyệt web,v.v…) với các yêu cầu về QoS rất khác nhau. Về cơ bản các dịch vụ có thể chia ra theo hai loại đó là: lưu lượng theo thời gian thực và lưu lượng không theo thời gian thực. Rõ ràng là, điều kiện để chấp nhận kết nối không theo thời gian thực dễ dàng hơn so với kết nối theo thời gian thực, vì các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến khác có thể giới hạn truyền dẫn không theo thời gian thực trong trường hợp tải trên giao diện vô tuyến bị vượt quá. Thông thường các lưu lượng không theo thời gian thực được chấp nhận khi cơ chế này làm việc với cơ chế lập lịch gói (Packet scheduler) để đạt được quá trình lập lịch tối ưu. Một ví dụ về vai trò của cơ chế này trong một hệ thống vô tuyến, ở đây là hệ thống 3G UMTS như trong hình 2.1 dưới đây.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

25

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

Có thể thấy rõ trên hình về cơ chế Admission control. Nếu kết nối được chấp nhận, SRNC sẽ sử dụng các tài nguyên vôi tuyến và các giao diện Iub để bắt đầu thiết lập vật mang vô tuyến. Cùng lúc, các kết nối cần thiết cũng được thiết lập ở giao diện Iu. Nếu quá trình thiết lập hoàn tất, một bản tin thông báo vô cũng như vật mang truy nhập vô tuyến sẽ được thiết lập.

Hình 2.1 Minh họa cho chức năng của cơ chế Admission Control trong mạng 3G UMTS 2.5.2 Cơ chế điều khiển tải (Load control) Cơ chế điều khiển tải (hay còn gọi là điều khiển nghẽn – Congestion Control) là cơ chế được sử dụng trong những tình huống mà việc đảm bảo QoS có nguy cơ bị phá vỡ do những vấn đề của hệ thống (ví dụ như sự di chuyển của người sử dụng, sự tăng của nhiễu, sự thay đổi của lưu lượng dịch vụ,v.v…). Cần lưu ý rằng, mặc dù có những cơ chế quản lí kết nối chặt chẽ, cũng như việc mạng vô tuyến có khả năng thích ứng mạnh mẽ với các biến đổi bất ngờ, vẫn sẽ luôn có khả năng xảy ra các tình huống quá tải, và do đó cơ chế điều khiển nghẽn luôn cần phải có. Các tình huống nghẽn trong môi trường vô tuyến thường gây ra bởi nhiễu vượt quá mức ngưỡng ở cả đường lên và đường xuống. Vì thế các cơ chế xử lí nghẽn cần phải tập trung vào tình trạng của mạng để giải quyết tình huống quá tải đang gặp phải. Quá trình xử lí này sẽ dựa trên các thông số của mạng, như công suất phát đường xuống, chỉ số tải của cell ở đường lên, v.v… những thông số cần phải được cân bằng thích hợp để tránh trường hợp phát hiện sai nghẽn (ví dụ như kích hoạt các cơ chế giải quyết nghẽn dù thực tế giao diên vô tuyến không bị quá tải) hoặc không phát hiện được SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

26

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

nghẽn (ví dụ như không kích hoạt cơ chế điều khiển nghẽn khi giao diện vô tuyến thực sự bị nghẽn). Thêm vào đó, cơ chế quản lí nghẽn cần phải phản ứng nhanh trong tình huống quá tải để ngăn việc giảm chất lượng của kết nối. Thực tế thì điều khiển nghẽn liên quan mật thiết đến các cơ chế RRM khác, cụ thể hơn quản lí nghẽn thường được hỗ trợ bởi cơ chế quản lí kết nối (từ chối kết nối mới khi mạng đang bị nghẽn) hoặc cơ chế chuyển giao (chuyển các kết nối ở cell bị nghẽn sang các cell liền kề không bị nghẽn). Chính xác hơn, các hoạt đông này phụ thuộc vào tình hình, nguyên nhân nghẽn cũng như việc các dịch vụ nào đang được sử dụng ở thời điểm nghẽn. Một ví dụ có thể được chỉ ra trong hình 2.2

Hình 2.2 Nguyên tắc hoạt động của cơ chế điều khiển tải (Load Control) Trong ví dụ này, sẽ có một mức tải đỉnh (ngưỡng) được quy định trước trong mạng. Thông thường, tải sẽ bao gồm của các dịch vụ thời gian thực (Real Time - RT) và dịch vụ không theo thời gian thực (Non Real Time - NRT). Nếu tải lưu lượng theo thời gian thực ở dưới giá trị ngưỡng được định trước, có thể giải quyết nghẽn bằng cách giảm tốc độ truyền tải đối với những người đang sử dụng dịch vụ không theo thời gian thực như trong hình 2.2(a). Trong tình huống khó khăn hơn, có thể tất cả các quá trình truyền dẫn không theo thời gian thực trong cell phải bị chặn lại. Nếu ngay cả việc SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

27

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

này cũng không đủ để giảm nghẽn, cần phải có sự giúp đỡ từ các cell liền kề, bằng cách giảm nhiễu liên cell của các dịch vụ không theo thời gian thực. Nếu vẫn không đủ (như trong hình 2.2(b)), cần phải giảm luôn cả tải đối với dịch vụ thời gian thực, trong trường hợp này có thể sẽ có một số cuộc gọi bị rớt để mạng trở lại bình thường. 2.5.3 Cơ chế lập lịch gói (Packet Scheduling) Cơ chế này nhằm xử lí các lưu lượng đến của các dịch vụ không theo thời gian thực (người dùng dữ liệu gói) đồng thời chia sẻ các tài nguyên vô tuyến một cách hợp lí giữa các vật mang vô tuyến. Nó sẽ quyết định khi nào quá trình truyền gói được bắt đầu và tốc độ bit sẽ được sử dụng trong khi truyền. Cơ chế này thường hoạt động theo các chu kì ngắn, để có thể thích nghi kịp thời với sự thay đổi trong khoảng ngắn của mức nhiễu. Có thể thấy lập lịch gói liên quan đến cơ chế điều khiển tải (hay điều khiển nhiễu) khi nó quản lí những vật mang vô tuyến không theo thời gian thực và thực hiện các hoạt động điều khiển (giảm tốc độ bit hoặc ngắt kết nối nếu cần) để bảo đảm tải của cell nếu cần thiết. Hoạt động của cơ chế lập lịch gói có thể được mô tả như sau (Hình 2.3)

Hình 2.3 Nguyên tắc hoạt động của cơ chế lập lịch gói (Packet Scheduling) Hình 2.3(a) mô tả mức tải của một cell bao gồm cả lưu lượng thời gian thực và không theo thời gian thực, mức tải ở dưới mức ngưỡng cho phép của cell, vì thế có dung lượng trống nhất định tồn tại trong cell. Vì thế, mục tiêu của cơ chế lập lịch gói được chỉ ra trong hình 2.3(b) trong đó khoảng dung lượng trống sẽ được sử dụng hết bởi một lượng tải không theo thời gian thực nhất định. Điều này có thể đạt được bằng SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

28

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

cách cho phép các phiên truyền dẫn của những người sử dụng khác không bao gồm những người dùng đang sử dụng dịch vụ hoặc tăng tốc độ bit của những người dùng này, hoặc có thể kết hợp cả hai phương pháp này nhưng không để tải vượt quá mức ngưỡng. 2.5.4 Cơ chế điều khiển công suất Mục tiêu chính của cơ chế điều khiển công suất đó là duy trì chất lượng của kết nối vô tuyến, đồng thời làm tối thiểu và kiểm soát công suất sử dụng cho giao diện vô tuyến. Để đạt được điều này, công suất phát phải được lựa chọn một cách hợp lí nhất có thể. Vì sao phải như vậy? Có một số lí do cần phải được cân nhắc đến như trình bày dưới đây. Nếu công suất phát tăng trên kết nối vô tuyến thì có thể đạt được một số lợi ích như sau: • Nhìn chung, trong bất cứ điều kiện nào của kênh truyền, càng tăng công suất phát thì sẽ dẫn đến công suất tín hiệu thu tăng theo. Điều này sẽ giúp tăng tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) ở máy thu, qua đó làm giảm tỉ lệ lỗi bit trên kết nối vô tuyến. • Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cao hơn cũng cho phép hệ thống sử dụng cơ chế thích ứng kết nối (link adaption) để truyền dữ liệu ở tốc độ bit cao hơn, dẫn đến hiệu quả sử dụng băng tần cao hơn. • Trong một kênh vô tuyến có phađinh, sử dụng công suất truyền cao hơn giúp chống lại việc tín hiệu bị ảnh hưởng. Tuy vậy, công suất truyền dẫn cao cũng dẫn đến những hệ quả không tốt: • Công suất truyền tổng của các thiết bị phát tăng cao dẫn đến thời lượng pin giảm nhanh. Đây là một vấn đề cần quan tâm khi mà các thiết bị di động thường không có được nguồn cấp ổn định như trạm gốc. • Công suất phát cao cũng làm tăng nhiễu đối với những người sử dụng khác ở cùng tần số. Do vậy có thể thấy không dễ để có thể điều chỉnh để đạt được công suất phát thích hợp, phương pháp tốt nhất đó là cân bằng giữa hai mặt lợi ích và hệ quả của cơ chế này. Cơ chế này thường được sử dụng trong các mạng di động, nhất là những mạng di động sử dụng công nghệ CDMA do các thiết bị di động trong mạng CDMA đều dùng chung một tần số nên khi hoạt động chúng thường gây nhiễu cho nhau nếu công suất phát đủ lớn. Cơ chế này thường được phân chia ra làm hai phương pháp chính đó là điều chỉnh công suất vòng hở (Open-loop Power Control) và điều khiển công suất vòng kín (Closed-loop Power Control). Với điều khiển công suất vòng hở, trạm di động giám sát tổng công suất thu được từ trạm gốc, công suất đo được cho thấy tổn hao đường truyền với người sử dụng. Thiết bị đầu cuối điều chỉnh công suất phát tỉ lệ với tổng công suất mà nó thu được. SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

29

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

Trong phương pháp này, trạm gốc không tham gia vào các thủ tục điều khiển công suất. Trong khi đó, phương pháp điều khiển công suất vòng kín đòi hỏi trạm gốc phải thường xuyên liên hệ với trạm di động để nó thay đổi công suất một cách thích ứng. Trạm gốc đánh giá công suất tín hiệu của người dùng ở đường lên và so sánh nó với công suất ngưỡng danh định. Trên cơ sở mức thu cao hay thấp hơn ngưỡng, trạm gốc phát lệnh điều khiển đến máy di động để điều chỉnh công suất phát. 2.5.5 Cơ chế quản lí chuyển giao (Handover Control) Mục đích của cơ chế quản lí chuyển giao là xử lí và thực hiện tất cả các quyết định chuyển giao, cơ chế này cần phải kiểm soát được tập hợp các trạm gốc kết nối với trạm di động trong cùng một thời điểm. Với bất cứ loại chuyển giao nào (chuyển giao cứng hay mềm) cơ chế này chuyển giao cũng hoạt động theo ba bước riêng biệt: đo lường, quyết định và thực hiện. Các phép đo được thực hiện bởi thiết bị đầu cuối có thể chuyển về mạng theo chu kì hoặc khi có những sự kiện bất ngờ xảy ra. Các phép đo này được quy định rất chính xác và được chia ra làm nhiều loại khác nhau: cùng tần số, giữa các tần số khác nhau, giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau. Các phép đo trong cùng tần số thường được dùng để xác định các cell hàng xóm ở cùng một phân lớp (ví dụ: microcell, macrocell,v.v…). Các phép đo liên tần số được thực hiện ở cùng phân lớp khi mà nhiều sóng mang được phân bổ cho một cell cho trước để tăng thông lượng hoặc do cấu trúc cell được hoạch định từ trước bởi nhà điều hành mạng. Các phép đo liên mạng được thực hiện khi có nhiều hơn một mạng truy nhập vô tuyến hoạt động ở trong khu vực phục vụ. Quyết định chuyển giao được thực hiện bởi các thuật toán chuyển giao, trong đó kênh hoa tiêu đóng một vai trò quan trọng, khi mà các quyết định hầu như đều dựa trên so sánh giữa các phép đo trên kênh hoa tiêu. Chỉ cần tăng hoặc giảm mức công suất phát của kênh hoa tiêu, sẽ có nhiều người sử dụng được kết nối hoặc bị từ chối kết nối với cell. Tuy rằng khái niệm về quản lí chuyển giao khá đơn giản, nhưng trong thực tế phức tạp hơn nhiều vì có rất nhiều thông số ảnh hưởng đến quyết định chuyển giao. Cơ chế chuyển giao cũng kết hợp chặt chẽ với các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến khác, ví dụ như hợp tác với cơ chế điều khiển nghẽn để chuyển những lưu lượng vượt quá ngưỡng của một cell sang các cell hàng xóm hay làm việc với cơ chế quản lí tiếp nhân kết nối trong quá trình chuyển giao. 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương 2 trình bày về khái niệm tài nguyên vô tuyến và các cơ chế cơ bản để quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng di động không dây. Về cơ bản, đơn vị tài nguyên vô tuyến là một tập hợp các thông số truyền dẫn cơ bản cần thiết để hỗ trợ cho sóng tín hiệu có thể truyền đi thông tin của người dùng tương ứng với dịch vụ mà họ sử dụng. Đơn vị tài nguyên vô tuyến có thể là một khoảng tần số, một khe thời gian hay một mã trải phổ, một tập hợp sóng mang con hoặc kết hợp giữa các yếu tố đó lại. SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

30

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

Phần tiếp theo trong chương liệt kê các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến và phương pháp phân loại các cơ chế này. Một số cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến cơ bản được trình bày trong chương gồm có: • Cơ chế quản lí tiếp nhận kết nối (Admission Control); • Cơ chế điều khiển tải (Load Control/ Congestion Control); • Cơ chế lập lịch gói (Packet Scheduling); • Cơ chế điều khiển công suất (Power Control); • Cơ chế quản lí chuyển giao (Handover Control). Bên cạnh đó còn một số cơ chế khác như: thích ứng kết nối (Link Adaption), phân bổ băng thông động (Dynamic Bandwidth Allocation), … Cần lưu ý là trong thực tế, không có thực thể vật lí cụ thể trong mạng thực hiện riêng rẽ từng chức năng quản lí này mà các cơ chế đều liên kết với nhau chặt chẽ để đáp ứng kịp thời với những thay đổi của mạng.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

31

Đồ án tốt nghiệp Đại học

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

Chương 2: Tổng quan về quản lý tài nguyên vô tuyến

32

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

CHƯƠNG 3: QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG MẠNG LTE 3.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG MẠNG LTE So với các mạng di động thế hệ trước như GSM/GPRS, 3G WCDMA, mạng LTE có những đặc điểm khác, dẫn đến có những khác biệt trong các vấn đề về quản lí tài nguyên vô tuyến so với các mạng thế hệ trước. Đầu tiên hãy đi vào khái niệm về đơn vị tài nguyên vô tuyến (hay khối tài nguyên vô tuyến) của mạng LTE. Thành phần tài nguyên nhỏ nhất tương ứng với một kí hiệu OFDM trên một sóng mang OFDM. Các thành phần tài nguyên này được tổ chức lại thành các khối lớn hơn trong cả trường thời gian và tần số, với bảy kí hiệu OFDM tạo thành một khe có độ dài 0,5 ms và có 12 sóng mang con, gọi là một khối tài nguyên. Hai khe thời gian liên tiếp tạo thành một sub-frame và mười sub-frame tạo thành một frame có độ dài 10 ms. Bộ lập lịch có thể phân bổ các khối tài nguyên này theo lần lượt một cặp hai khối tài nguyên liên tiếp, vì thế đơn vị tài nguyên nhỏ nhất được phân bổ là hai khối tài nguyên.

Hình 3.1 Cấu trúc một khung trong truyền dẫn trong LTE Tuy vậy có một điểm khác biệt khi cấp phát tài nguyên trên đường xuống và đường lên. Vì đường lên sử dụng kĩ thuật đa truy nhập SC-FDMA, nên việc phân bổ các khối tài nguyên cho mỗi UE phải là các khối tài nguyên liên tiếp. Điểm khác biệt lớn nhất trong quá trình quản lí tài nguyên vô tuyến bắt nguồn từ cấu trúc của mạng truy nhập LTE. Như đã đề cập ở chương 1, mạng truy nhập LTE chỉ bao gồm một mạng lưới các eNodeB mà không có một trung tâm quản lí tập trung nào như RNC trong mạng 3G UMTS hay BSC trong mạng 2G, bên cạnh đó, mạng LTE có chỉ số tái sử dụng tần số bằng 1, hay nói cách khác tất cả các cell đều được phép sử dụng chung toàn bộ dải băng tần cấp phát. Điểm này dẫn đến việc sử dụng tần số hiệu quả hơn những đồng thời cũng dẫn đến yêu cầu phải giải quyết vấn đề nhiễu liên cell

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

33

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

Hình 3.2 Vấn đề nhiễu liên cell trong mạng LTE UL: UE có thể gây nhiễu đối với các eNodeB hàng xóm DL: eNodeB có thể gây nhiễu lên các UE ở cell hàng xóm Hình 3.2 minh họa cho tình huống nhiễu liên cell. Trong hệ thống LTE, hệ thống tái sử dụng tần số bằng 1, tất cả các khối tài nguyên hay nói cách khác tất cả băng tần đều được các cell sử dụng. Trong các hệ thống như thế, các UE đang hoạt động có thể gây ra nhiễu đường lên đối với các eNodeB ở các cell hàng xóm, đồng thời eNodeB cũng có thể gây ra nhiễu đường xuống đối với các UE đang hoạt động ở cell hàng xóm. Tất nhiên eNodeB có thể thực hiện các giải thuật lập lịch phân bổ tài nguyên cho phép chúng giảm các nhiễu liên cell ảnh hưởng đến các cell lân cận bằng cách cẩn thận lựa chọn các khối tài nguyên để sử dụng. 3.2 CÁC CHỈ SỐ ĐO CẦN THIẾT ĐỂ QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN Phần này sẽ giới thiệu về những thông số cần đo đạc phục vụ cho việc quản lí tài nguyên vô tuyến được thực hiện bởi cả eNodeB và trạm di động. 3.2.1 Các chỉ số đo thực hiện bởi trạm di động Các thông số đo được thực hiện bởi trạm di động được liệt kê dưới đây: • Công suất thu của kí hiệu tham chiếu (RSRP – Reference Symbol Received Power): được xác định cho cell đang được xét đến, tính trung bình tuyến tính trên tổng công suất (theo đơn vị W) của các đơn vị tài nguyên mang tín hiệu tham chiếu của cell trong khoảng băng tần đang được xem xét. • Chỉ thị cường độ tín hiệu thu (RSSI – Received Signal Strength Indicator): chỉ số này bao gồm tổng công suất thu băng rộng đối với UE từ tất cả các nguồn, bao gồm cả cá dịch vụ đồng kênh và các cell không phục vụ cho UE, nhiễu kênh lân cận, nhiễu nhiệt, v.v…

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

34

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

• Chất lượng thu của kí hiệu tham chiếu (RSRQ – Reference Symbol Received Quality): chỉ số này được xác định bởi tỉ số N×RSRP/(RSSI của sóng mang EUTRAN), với N là số các vật mang vô tuyến trong khoảng băng thông được đo bởi RSSI của sóng mang trong E-UTRAN. Các phép đo ở tử số và mẫu số phải được thực hiện trên cùng một tập các khối tài nguyên. • Chỉ thị chất lượng kênh (CQI – Channel quality indicator) trên mỗi băng con, trên một tập băng con và trên toàn bộ băng tần. Bảng 3.1 Các chỉ số đo trong LTE thực hiện bởi MS Chỉ số đo

Mục đích

Chu kì đo ở L1

Giao thức Lọc ở các lớp cao hơn

RSRP

Handover, lựa chọn cell

200 ms

RRC

Có

RSRQ

Handover, lựa chọn cell

200 ms

RRC

Có

RSSI

Handover liên tần số và Handover giữa các mạng truy nhập vô tuyến với nhau

200 ms

RRC

Có

CQI

Lập lịch, điều khiển công suất đường xuống, thích ứng kết nối

1 chu kì truyền dẫn(1ms)

MAC

Không

3.2.2 Các chỉ số đo được thực hiện bởi eNodeB Trong mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN của LTE, một số thông số đo nhất định được thực hiện trong eNodeB và không được trao đổi giữa các eNodeB. Các thông số này không cần phải có một tiêu chuẩn, mà chủ yếu hoạt động độc lập. Mặc khác, các thông số để trao đổi giữa eNodeB thông qua giao diện X2 cần phải được chuẩn hóa. Các thông số cần đo phục vụ cho các mục đích sau: • Chuyển giao nội mạng LTE và giữa các loại mạng truy nhập vô tuyến với LTE • Quản lí chấp nhận kết nối và quản lí nghẽn • Hợp tác để giảm nhiễu liên cell • Hoạt động và bảo trì Các thông số cần đo của eNodeB (trong đó hầu hết được thực hiện cụ thể mà không cần chuẩn hóa) như sau: • Công suất phát tổng đường xuống (DL Total Tx Power): Công suất phát của sóng mang trên toàn bộ băng tần truyền dẫn của cell. SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

35

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

• Công suất phát khối tài nguyên đường xuống (DL RB Tx Power): Công suất phát sóng mang đo trên một khối tài nguyên. • Công suất phát đường xuống trên mỗi nhánh anten (DL Tx Carrier power per antenna branch): Công suất phát sóng mang đo trên toàn bộ băng thông trên một nhánh anten. • Công suất phát khối tài nguyên đường xuống trên mỗi nhánh anten (DL RB Tx Power per antenna branch): Công suất phát của sóng mang trên một khối tài nguyên. • Tỉ lệ sử dụng tổng tài nguyên đường xuống (DL Total RB usage): tính bằng tỉ số của các khối tài nguyên đường xuống được sử dụng trên tổng các khối tài nguyên đường xuống khả dụng (hoặc đơn giản là số các khối tài nguyên đường xuống được sử dụng). • Tỉ lệ sử dụng tổng tài nguyên đường lên (UL Total RB usage): tính bằng tỉ số các khối tài nguyên đường lên được sử dụng trên tổng các khối tài nguyên khả dụng (hoặc đơn giản là các số các khối tài nguyên đường lên được sử dụng). • Hoạt động của khối tài nguyên đường xuống (DL RB activity): tính bằng tỉ số của thời gian được lên lịch của khối tài nguyên đường xuống trên khoảng thời gian đo. • Hoạt động của khối tài nguyên đường lên (UL RB activity): tính bằng tỉ số của thời gian được lên lịch của khối tài nguyên đường lên trên khoảng thời gian đo. • Tỉ lệ mất gói trên đường xuống: tỉ lệ mất gói của gói GTP-U (hay frame) gửi đi bởi cổng truy nhập trên nền mặt phẳng người sử dụng S1. Thông số này cần phải được đo trên mỗi luồng lưu lượng. eNodeB sẽ sử dụng số các gói GTP-U (hoặc frame) để đo tỉ lệ mất gói đường xuống. • Tỉ lệ mất gói trên đường lên: tỉ lệ mất gói của gói GTP-U (hay frame) gửi đi bởi cổng truy nhập trên nền mặt phẳng người sử dụng S1. Thông số này cần phải được đo trên mỗi luồng lưu lượng. eNodeB sẽ sử dụng số các gói GTP-U (hoặc frame) để đo tỉ lệ mất gói đường lên. • RTWP đường lên (UL RTWP): Tổng công suất thu băng rộng (Received total wideband power) bao gồm cả nhiễu được đo trên toàn bộ băng tần truyền dẫn của cell ở eNodeB. • Công suất thu khối tài nguyên đường lên: tổng công suất thu bao gồm cả nhiễu được đo trên một khối tài nguyên tại eNodeB. • SIR đường xuống (trên mỗi UE) (UL SIR): tỉ số của công suất thu của tín hiệu phát tham chiếu bởi UE trên tổng nhiễu thu được bởi eNodeB trên băng tần mà UE chiếm giữ. • BLER HARQ đường lên (BLER HARQ UL): tỉ số lỗi khối (Block Error Rate) dựa trên quá trình kiểm tra CRC của mỗi cấp độ truyền khối HARQ. SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

36

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

• Trễ truyền dẫn (Propagation Delay): Thời gian trễ truyền dẫn trên một hướng tính trên một quá trình truyền dẫn truy nhập bất kì. • Độ lệch thời phát của UE (UE Tx time difference): độ lệch về thời gian giữa quá trình nhận tín hiệu phát của UE và thời gian truyền dẫn của kí hiệu tham chiếu. • Công suất phát tín hiệu tham chiếu đường xuống (DL RS Tx Power): được xác định trong cell đang được xét đến, tính bằng trung bình tuyến tính trên tổng công suất (tính theo đơn vị W) của các đơn vị tài nguyên mang tín hiệu tham chiếu đặc trưng cho cell được phát đi bởi eNodeB trong khoảng băng tần hoạt động của nó. Đối với mục địch hợp tác giữa các cell để chống nhiễu liên cell, các chỉ số đo tải trong mặt phẳng người sử dụng sẽ rất hữu dụng (ví dụ như số lượng các gói hoặc các bit gửi đi trong mỗi giây trên nền tảng người sử dụng) Bảng 3.2 Các chỉ số đo trong LTE được thực hiện bởi eNodeB Chỉ số đo

Mục đích

Chu kì đo

Giao diện

Lọc ở các lớp cao hơn

DL Total Tx Power

HO, Load control (AC, CC),

~100ms

X2

Có

~100ms

X2

Có

~100ms

X2

Có

~100ms

X2

Có

~100ms

X2

Có

ICIC DL RB Tx Power

HO, Load control (AC, CC), ICIC

DL Tx Carrỉe Power per antenna branch

HO, Load control (AC, CC),

DL Total RB Usage

HO, Load control (AC, CC),

ICIC trigger HO ICIC

UL Total RB usage

HO, Load control (AC, CC), ICIC

DL RB activity

ICIC

~100ms

X2

Có

UL RB activity

ICIC

~100ms

X2

Có

DL Transport network loss

HO, Load control (AC, CC)

~100ms

Nội eNodeB

Có

UL Transport network loss

HO, Load control (AC, CC)

~100ms

S1

Có

UL Received Total Wideband Power

HO, Load control (AC, CC)

~100ms

X2

Có

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

37

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

UL Received Resource Block Power

HO, Load control (AC, CC),

~100ms

X2

Có

UL SIR

HO, AC, ICIC

~100ms

X2

Có

UL HARQ BLER

O&M

~100ms

Nội eNodeB

Có

Propagation Delay

Thiết lập cuộc gọi, O&M

N/A

Nội eNodeB

N/A

UE Tx time difference

Định thời trong khi chuyển giao

~50100ms

Nội eNodeB

N/A

ICIC

Chú giải: 1. HO: Handover – chuyển giao 2. AC: Admission Control – quản lí tiếp nhận kết nối 3. CC: Congestion Control – điều khiển nghẽn 4. O&M: Operation and maintenance – Hoạt đông và bảo trì 5. ICIC: Inter-cell Interference Coordination - chống nhiễu liên cell. 3.3 CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG QUẢN LÍ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG LTE 3.3.1 Các giải thuật quản lí chấp nhận kết nối (Admission Control) Cơ chế quản lí chấp nhận kết nối có vai trò cơ bản là quyết định khi một UE có yêu cầu thiết lập vật mang kết nối đến eNodeB thì có chấp nhận kết nối đó hay không. Hai nguyên tắc chính của cơ chế này là: • Bảo đảm rằng eNodeB có đủ tài nguyên để đáp ứng được yêu cầu về QoS nếu thiết lập vật mang hay kết nối cho UE; • Bảo đảm rằng eNodeB có thể duy trì mức QoS mong muốn của các kết nối còn lại trong cell kể cả khi kết nối mới được thiết lập. Vì thế eNodeB cần phải tính đến các thông số QoS của tất cả các UE trong cell và thêm cả kết nối mới được thiết lập. Bên cạnh đó nó cũng phải tính đến các điều kiện kênh của các UE đã kết nối thông qua chỉ số CQI của các UE này. Tuy nhiên, với UE đang yêu cầu thiết lập kết nối mới, thông tin CQI chưa được gửi đến eNodeB, vì thế eNodeB cần dựa vào các thông số đo là RSSP, chỉ thị công suất thu của kí hiệu tham chiếu và RSSI, chỉ thị công suất thu bao gồm cả các loại nhiễu. Có ba giải thuật chính được sử dụng để thực hiện cơ chế này bao gồm có: Giải thuật dựa trên số lượng các kết nối

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

38

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

Đây là giải thuật đơn giản nhất, đơn giản là nó chỉ chấp nhận một số giới hạn các vật mang được thiết lập. Phương pháp này tất nhiên là đơn giản và nhược điểm chính rõ ràng là không quan tâm đến các các yêu cầu về QoS của người sử dụng. Giải thuật này có thể được thực hiện ở những eNodeB ban đầu của LTE khi mà quá trình triển khai của mạng LTE tập trung vào các dịch vụ nỗ lực tối đa. Các dịch vụ nỗ lực tối đa đến cơ chế Admission control vì các dịch vụ này chỉ cần mức thông lượng thấp để hoạt động. Giải thuật dựa trên giới hạn dung lượng Thuật toán dựa trên giới hạn dung lượng giả định một dung lượng nhất định cho hệ thống và bảo đảm tổng của tất cả tốc độ bit được bảo đảm (GBR – Guaranteed bit rate) không vượt quá giới hạn này. Nhược điểm chính của giải thuật này là nó không tính đến các điều kênh của bất kì người dùng nào. Thay vào đó, giải thuật này chỉ đơn giản giả định rằng cell có thể cho phép một thông lượng nhất định. Giải thuật dựa trên yêu cầu tài nguyên trung bình Giải thuật này tính toán hai chỉ số: • Phần trăm trung bình của các tài nguyên cần để mỗi UE có thể được đáp ứng đủ tốc độ bit đã được đảm bảo. Để tính giá trị này, chỉ số CQI có thể được sử dụng cũng như là lịch sử phân bổ tài nguyên của mỗi UE. • Phần trăm trung bình mong muốn của tài nguyên cần thiết bởi UE đang yêu cầu kết nối để đáp ứng được GBR của nó. Tổng của hai chỉ số này không được vượt quả tổng tài nguyên khả dụng, nếu thỏa mãn thì vật mang đến UE đang yêu cầu kết nối sẽ đuợc chấp nhận thiết lập. 3.3.2 Các giải thuật điều khiển công suất (Power control) Trong một hệ thống trên nền tảng OFDM như LTE, tính trực giao đã giúp loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu nội cell và vấn đề xa-gần thường gặp trong hệ thống CDMA, vị trí của cơ chế điều khiển công suất chuyển sang việc đáp ứng được yêu cầu về tỉ số SINR đồng thời hợp tác với cơ chế ICIC để điều khiển nhiễu liên cell. Ý tưởng cổ điển của điều khiển công suất đường lên đó là thay đổi công suất phát của người dùng để có thể đạt được tỉ số SINR của người dùng bằng nhau ở trạm gốc. Ý tưởng này nhằm bù đắp hoàn toàn tổn hao đường truyền. Trong khi thiết kế LTE, ý tưởng về điều khiển công suất phân đoạn (FPC – Fractional Power Control) được giới thiệu. Trong phương pháp này, người dùng được cho phép bù một phần tổn hao đường truyền, thế nên ngưởi dùng với tổn hao đường truyền lớn sẽ hoạt động ở mức SINR yêu cầu thấp hơn và vì thế ít gây ra nhiễu đối với các cell hàng xóm. Ý tưởng điều khiển công suất phân đoạn được đưa vào để điều khiển công suất trên kênh chia sẻ đường xuống (PUSCH – Physical Uplink Shared Channel) dựa trên giải thuật điều khiển công suất vòng hở, nhắm đến việc bù cho các biến đổi kênh chậm. Để thích nghi với những thay đổi của các điều kiện nhiễu liên cell hoặc bù các thông số tổn hao đường truyền và lỗi của bộ khuyếch đại công suất, các điều chỉnh theo giải

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

39

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

thuật điều khiển công suất vòng kín không tuần hoàn cũng có thể được áp dụng. Công suất phát của người dùng được tính theo phương trình sau: P = min{Pmax,P0 + 10.log10M + α.L + ∆MCS + f(∆i)} [dBm] với Pmax là công suất phát cực đại của người dùng, P0 là thông số cụ thể của người sử dụng (có tùy chọn là thông số của cell), M là số các khối tài nguyên được phân bổ cho một người sử dụng, α là chỉ số bù tổn hao đường truyền xác định cho cell có thể được đặt giá trị bằng 0 và từ 0.4 đến 1,0 với theo mỗi bước 0,1 một. L là tổn hao đường truyền đường xuống tính ở UE dựa trên công suất phát của kí hiệu tham chiếu, ∆MCS là chỉ số xác định riêng đối với người dùng (hoặc đối với cell) được báo hiệu bởi các lớp trên; trong khi ∆i là giá trị sửa lỗi vòng kín cụ thể với người sử dụng và hàm f(.) thể hiên sự tăng tuyệt đối hay tăng cộng dồn phụ thuộc vào giá trị của chỉ số Accumulation-enabled của người dùng. Nếu phương pháp tiếp cận tuyệt đối được sử dụng, người dùng sẽ áp dụng một khoảng độ lệch trong lệnh điều khiển công suất bằng cách sử dụng lệnh điều khiển công suất vòng kín gần nhất ra làm tham chiếu. Nếu phương pháp tiếp cận theo kiểu cộng dồn được dùng, người sử dụng áp dụng độ lệch được cho trong lệnh điều khiển công suất bởi giá trị công suất truyền dẫn gần nhất làm tham chiếu. Trong trường hợp sau, ∆i có thể nhận một trong bốn giá trị sau: -1, 0, 1, 3 dB. Trong trường hợp điều khiển công suất vòng kín không được sử dụng, phương trình sẽ được đơn giản hóa hơn như sau: P = min{Pmax,P0 + 10.log10M + α.L} [dBm] Hình 3.3 miêu tả quá trình báo hiệu của điều khiển công suất trong LTE

Hình 3.3 Các bản tin báo hiệu giữa UE và eNodeB trong cơ chế điều khiển công suất (Power Control)

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

40

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

3.3.3 Giải thuật thích ứng kết nối (Link Adaption) Cơ chế này là một cơ chế cơ bản của quá trình quản lí tài nguyên vô tuyến trong LTE. Mục đích của nó là nhằm chọn ra sơ đồ mã hóa và điều chế thích hợp cho quá trình truyền dẫn để tối đa số dữ liệu được truyền đi trên kênh truyền. Trong LTE, cơ chế này cũng còn được gọi là Mã hóa và điều chế thích nghi nhanh vì sơ đồ mã hóa và điều chế có thể được thay đổi mỗi 1ms (một chu kì truyền dẫn). Trong LTE, kênh vật lí chia sẻ đường lên (PUSCH) hỗ trợ các kĩ thuật điều chế BPSK, QPSK và 16 QAM với các tốc độ mã hóa khác nhau, trong khi đó kênh vật lí chia sẻ đường xuống (PDSCH) hỗ trợ QPSK, 16QAM, 64QAM với các tốc độ mã hóa khác nhau. Để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên, cơ chế này thường nhắm đến việc duy trì tỉ lệ lỗi khối ở mức 10%, trong khi đó dựa vào cơ chế HARQ để bảo đảm tỉ lệ lỗi gói nhỏ hơn 1% đối với phân lớp RLC. Hệ thống có thể sử dụng các thông tin từ trạng thái kênh truyền (CQI đối với đường xuống, CSI đối với đường lên) để xác định sơ đồ mã hóa và điều chế nào có tỉ lệ lỗi khối phù hợp. Tuy nhiên, do lỗi trên kênh truyền biến đổi liên tục, nên sẽ khó có thể đạt được tỉ lệ lỗi khối yêu cầu. Để giữ cho tỉ lệ lỗi khối (BLER – Block Error Rate) ở quá trình truyền dẫn gần nhất có thể với mục tiêu cần đạt, một giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (OLLA – Outer Loop Link Adaption) là cần thiết để bù trừ những thông số của kênh, như được chỉ ra trong hình 3. Dưới đây

Hình 3.4 Hoạt động của giải thuật thích nghi liên kết vòng ngoài (Outer Loop Link Adaption) Trong giải thuật OLLA áp dụng đối với người dùng i và băng thông bw, hàm bù O(i) được thay đổi theo cùng các điều kiện như điều khiển công suất vòng ngoài ởi WCDMA: SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

41

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

• Nếu lần truyền đầu tiên trên PUSCH hoặc DSCH thu được một cách chuẩn xác, O(i) được giảm đi một lượng OD = S.BLERT. • Nếu lần truyền đầu tiên trên PUSCH hoặc DSCH không thu được chuẩn xác, O(i) sẽ được tăng lên một lượng OU = S.(1 – BLERT) với S là kích cỡ bước dịch và BLERT là tỉ lệ lỗi khối mà ở đó giải thuật sẽ hội tụ nếu hàm bù O(i) vẫn ở trong dải đã được xác định trước Omin ≤ O(i) ≤ Omax. 3.3.4 Giải thuật quản lí chuyển giao (Handover Control) Quá trình điều khiển chuyển giao nhằm mục đích duy trì liên kết vô tuyến của một UE trong trạng thái hoạt động khi mà UE di chuyển từ vùng phủ của một cell này đến vùng phủ của một cell khác.Trong mạng LTE, quá trình chuyển giao là chuyển giao cứng (hard handover) tương tự như trong hệ thống GSM trong đó cell mục tiêu phải có sự chuẩn bị. Quá trình chuyển giao ở đây được điều khiển bởi mạng và được hỗ trợ bởi UE. Chuyển giao cứng nghĩa là việc chuyển từ cell này sang cell khác hoạt động theo kiểu “ngắt trước khi kết nối”; nghĩa là UE chỉ kết nối đến một cell trong bất cứ thời điểm nào. Điều này khác biệt với hệ thống WCDMA triển khai chuyển giao mềm và điều khiển công suất nhanh và trong đó UE có thể liên kết với nhiều cell cùng lúc. Một trong những lí do quan trọng nhất mà chuyển giao mềm được sử dụng ở WCDMA là độ nhạy cảm nhiễu của hệ thống (đặc biệt là đường lên), xuất phát từ bản chất của kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã. Khi chuyển giao mềm được sử dụng, công suất phát của UE – nguồn gây nhiễu có thể được giảm đi bằng độ tăng ích phân tập của chuyển giao mềm bù vào công suất phát nhỏ. Trong LTE, sự trực giao hoàn hảo nội cell bằng cách sử dụng sơ đồ đa truy nhập OFDM giúp cho hệ thống không nhạy cảm với nhiễu như hệ thống WCDMA. Bên cạnh đó, LTE có thể đạt được phân tập theo những cách khác không giống như chuyển giao mềm, ví dụ như chế độ truyền dẫn đa anten nhờ quá trình thích ứng kết nối nhanh va lập lịch kênh độc lập, nó có thể thích ứng với những thay đổi tức thời của điều kiện kênh theo cách tốt nhất có thể, điều này làm cho việc sử dụng chuyển giao mềm đã không quá quan trọng. Tính năng điều khiển bởi mạng và hỗ trợ bởi UE của quá trình chuyển giao có nghĩa là quyết định chuyển kết nối vô tuyến của UE từ cell này sang cell khác được thực hiện bởi mạng – cụ thể hơn là bởi eNodeB đang phục vụ UE, hỗ trợ bởi các bản tin báo cáo đo lường nhận được từ UE. eNodeB cũng có thể sử dụng một số các nguồn thông tin khác để thực hiện quyết định chuyển giao, bao gồm cả các thông số đo lường từ chính nó, độ sẵn sàng về tài nguyên vô tuyến của các cell muốn chuyển đến, phân phối tải, v.v… . Tuy nhiên, khía cạnh quan trọng nhất quyết định việc chuyển giao đó là chỉ số đo tăng ích đường truyền của UE. Nói cách khác, việc điều khiển chuyển giao cần phải bảo đảm UE luôn kết nối với cell có tăng ích đường truyền trung bình tốt nhất. Điều này đặc biệt quan trọng trong hệ thống có hệ số tái sử dụng tần số bằng 1 (reuse – 1) như LTE, vì thế việ một UE kết nối đến một cell không phải cell tốt nhất có thể dẫn đến sự gia tăng nhiễu cho các cell hàng xóm, đặc biệt là cell tốt nhất. Một hệ quả khác của hệ thống reuse – 1 là chất lượng liên kết (ví dụ như SINR) có thể thay đổi nhanh chóng do nhiễu liên cell khi mà UE di chuyển về phía biên của cell. SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

42

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

Việc sử dụng các kĩ thuật chống nhiễu liên cell có thể giảm thiểu hiệu ứng nhiễu ở biên của cell. Tuy nhiên, sự suy giảm nhanh của chất lượng kết nối ở biên của cell yêu cầu hệ thống cần phải hoạt động nhanh theo điều kiện thay đổi của liên kết trước khi kết nối bị ngắt, điều này yêu cầu việc thực hiện chuyển giao nhanh và cơ chế báo hiệu mạnh mẽ để có thể chống lại nhiễu liên cell. Cụ thể hơn, thời gian thực hiện thủ tục chuyển giao cần phải đủ ngắn và đáng tin cậy, bao gồm có thời gian cần để nhân ra tình huống chuyển giao, thời gian cần để chuẩn bị chuyển giao ở cell mục tiêu, và thời gian để thực hiện chuyển giao. Một hệ quả khác của việc thay đổi nhanh chất lượng liên kết ở biên của cell đó là có một sự khác biệt lớn giữa hệ số tăng ích đường truyền giữa cell gốc (cell hiện tại của UE) và cell đích (cell muốn chuyển đến) có thể dẫn đến hủy việc chuyển giao. Việc thực hiện chuyển giao nhanh không chỉ cần phải chống lại sự thay đổi nhanh của chất lượng liên kết mà quan trọng hơn là hiệu năng hoạt động theo cảm nhận từ góc nhìn của người sử dụng. Điều này có nghĩa là, để đạt được hiệu năng chuyển giao tốt theo quan điểm hiệu năng vô tuyến cũng như từ quan điểm của người dùng, quá trình chuyển giao cần có thời gian ngắt ngắn và không gây mất mát dữ liệu. Để đạt được các yêu cầu này, các thủ tục chuyển giao được sử dụng trong LTE được minh họa trong hình 3.5. Các thủ tục chuyển giao gồm có ba giai đoạn chính: khởi tạo, chuẩn bị, và thực hiện. Trong quá trình khởi tạo, UE thực hiện việc đo các thông số của kênh từ cả eNodeB gốc và eNodeB mục tiêu, theo đó là quá trình xử lí và gửi các bản tin báo cáo các giá trị đo được về cho eNodeB nguồn. Các thông số thực hiện chuyển giao được thực hiện ở kí hiệu tham chiếu của đường xuống và đường lên. Trong giai đoạn chuẩn bị, eNodeB nguồn thực hiện quyết định chuyển giao, nó báo hiệu cho eNodeB mục tiêu biết và yêu cầu giành trước tài nguyên. Chức năng quản lí tiếp nhận kết nối mới ở eNodeB mục tiêu sẽ quyết định chấp nhận hay từ chối yêu cầu này. Quyết định này sẽ được thông báo cho eNodeB nguồn bằng cácg sử dụng bản tin ACK hoặc NACK. Nếu được chấp nhận, eNodeB đích sẽ gửi lại các bản tin ACK được biên dịch riêng cho UE thông qua eNodeB gốc bao gồm các thông tin cần thiết để truy nhập vào cell đích. Sau đó, eNodeB gốc sẽ yêu cầu UE thực hiện chuyển giao và cùng lúc đó chuyển tiếp các dữ liệu của người sử dụng. eNodeB nguồn sẽ chuyển tiếp các đơn vị dữ liệu dịch vụ PDCP (cí dụ như các gói tin IP không thể gửi đi thành công từ cell nguồn) đến eNodeB đích. Khi UE chuyển đến cell mục tiêu, nó truy nhập vào cell và đồng bộ thông qua kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH. Để giảm thời gian ngắt quãng do những xung đột có thể xảy ra trên kênh RACH, có thể phải sử dụng một mào đầu dành riêng cho truy nhập. Khái niệm mào đầu này là một chuỗi các kí hiệu gửi bởi UE trên kênh RACH được dùng để nhận dạng các nỗ lực truy nhập. Có 64 mào đầu nhằm truy cập dựa trên xung đột và một tập hợp các mào đầu được dùng riêng để chống xung đột trong đó có mào đầu dành cho quá trình chuyển giao. enodeB mục tiêu có thể dành sẵn một mào đầu dùng riêng cho các trường hợp chuyển giao cụ thể của UE có thể gửi mào đầu này ở SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

43

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

bản tin ACK trước đó thông qua lệnh chuyển giao. Vì mào đầu này là dành riêng nen không có UE nào khác có thể sử dụng nó cùng một lúc, điều này đảm bảo nỗ lực truy cập sẽ không bị xung đột. Với cơ chế như vậy, thời gian gián đoạn có thể đảm bảo trong khoảng 15ms. Sau đó, UE sẽ gửi xác nhận thủ tục truy nhập đã hoàn tất cho eNodeB đích. eNodeB đích sẽ báo cho S-GW rằng UE đã hoàn thành quá trình chuyển giao và thông qua đó eNodeB gốc sẽ giải phóng tài nguyên vô tuyến dành cho UE.

Hình 3.5 Thủ tục chuyển giao trong LTE

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

44

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

Điều đáng nói là LTE cung cấp cơ chế phục hồi hiệu quả cho trường hợp chuyển giao thất bại, khi việc chuyển giao không thể thực hiện được bởi mạng do việc mất kết nối vô tuyến. Mặc dù hiếm khi xảy ra việc mất kết nối vô tuyến nhưng đây vẫn là khả năng không thể loại trừ hoàn toàn, đặc biệt là trong điều kiện nhiễu nghiêm trọng ở biên của cell. Nếu UE mất kết nối vô tuyến, nó sẽ chọn lại cell thích hợp và khởi tạo quá trình tái thiết lập kết nối. Nếu context của UE sẵn sàng ở eNodeB được chọn (tức là UE có thể chọn một cell thuộc về eNodeB gốc hoặc một cell của eNdodeB đã chuẩn bị cho việc chuyển giao), context của UE có thể hồi phục được. Trong trường hợp này, thời gian gián đoạn và hiệu năng gần như không thay đổi so với trường hợp bình thường. Trong tất cả các trường hợp khác, UE phải tái thiết lập kết nối thông qua việc chuyển giao từ trạng thái nghỉ sang trạng thái hoạt động, điều này sẽ mất nhiều thời gian hơn. Bên cạnh đó, nếu eNodeB muốn giảm hậu quả của việc chuyển giao thất bại, nó có thể chọn nhiều cell mục tiêu khác nhau, và sau khi việc chuyển giao hoàn tất, nó có thể hủy bỏ quá trình chuẩn bị đối với các cell khác. 3.4 CÁC GIẢI THUẬT QUẢN LÍ NHIỄU LIÊN CELL (INTERCELL INTEFERENCE COORDINATION) Có thể nói đây là điểm khác biệt lớn nhất của quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE so với các thế hệ mạng di động trước đó. Vấn đề xảy ra với LTE do cấu trúc phẳng của mạng truy nhập dẫn đến nhiễu liên cell ảnh hưởng nhiều đến dung lượng của mạng. Có một số giải pháp để giải quyết vấn đề này đó là ngẫu nhiên hóa, loại bỏ hoặc hợp tác. Phương pháp ngẫu nhiên hóa nhiễu liên cell (Intercell inteference randomization) ngăn chặn nhiễu đối với tín hiệu trong khi đó phương pháp loại bỏ (Intercell interference cancellation) loại bỏ một phần của tín hiệu nhiễu. Phương pháp kết hợp hay hợp tác (Intercell interference coordination) sắp xếp phân bố phổ tần trong mạng để giảm nhiễu liên cell càng nhiều càng tốt. Qua đó có thể thấy lựa chọn tối ưu để giải quyết vấn đề chính là kĩ thuật hợp tác để giảm nhiễu liên cell. Hình 3.6 dưới đây minh họa cho sự khác biệt trong cách xử lí nhiễu liên cell giữa hai phương pháp ngẫu nhiên hóa và hợp tác. Trong khi phương pháp ngẫu nhiên phân bổ các khối tài nguyên một cách ngẫu nhiên nên có thể dẫn đến nguy cơ xung đột kể cả khi có các khối tài nguyên không bị tranh chấp giữa hai cell. Nhất là khi mà LTE có hệ số tái sử dụng phổ tần bằng 1, nên khả năng xung đột nếu sử dụng phương pháp ngẫu nhiên càng tăng cao. Trong khi đó, phương pháp hợp tác tránh xung đột liên cell nhiều nhất có thể. Giải pháp hợp tác (ICIC) trong thực tế chia ra làm ba loại chính đó là tĩnh, bán-tĩnh và động. Loại cuối cùng không phù hợp để triển khai bởi vì cần quá nhiều quá trình báo hiệu và điều này sẽ làm cho các thuật toán lập lịch trở nên rất phức tạp và khó thực hiện. Vì thế trong phần này chỉ đề cập đến hai cách tiếp cận đó là ICIC tĩnh và ICIC bán-tĩnh.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

45

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

Hình 3.6 Cơ chế giải quyết nhiễu liên cell theo hai kiểu: ngẫu nhiên hóa và hợp tác – điều phối 3.4.1 ICIC tĩnh Phần này sẽ bao gồm các phương án khác nhau để thực hiện giải pháp ICIC tĩnh 3.4.1.1 Giải pháp đề xuất của Ericsson

Hình 3.7 Phương án ICIC của Ericsson

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

46

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

Trong giải pháp này, chỉ có một phần của phổ tần được sử dụng ở biên của cell và phần tần số này trực giao với tần số ở biên của các cell lân cận, trong khi đó toàn bộ phổ tần đều khả dụng ở trung tâm của cell khi mà quá trình truyền dân ở đây được giới hạn về công suất để giảm nhiễu đối với những người sử dụng ở biên của cell. Hình 3.7 chỉ rõ phương án đề xuất của Ericsson, trong phương án này, tỉ lệ sử dụng tần số ở biên của cell là 1/3. 3.4.1.2 Giải pháp đề xuất của Alcatel Phổ tần trong giải pháp này sẽ được chia ra làm nhiều băng con, ví dụ như 7 băng hoặc 9 băng con. Các băng con 1, 2 và 6 được triển khai ở cell 1 trong khi đó các kết nối ở trung tâm cũng sử dụng phương pháp giảm công suất (Hình 3.8) Tỉ số sử dụng tần số của phương pháp này là 3/7.

Hình 3.8 Phương án ICIC của Alcatel 3.4.2 ICIC bán tĩnh 3.4.2.1 Giải pháp đề xuất của Siemen Trong giải pháp này, toàn bộ băng tần được chia ra làm N băng con và X băng con được sử dụng ở biên của cell với điều kiện X ⊆ N và X băng con này trực giao với các băng con của cell hàng xóm, trong khi (N – 3X) băng con khác được sử dụng để truyền dẫn ở trung tâm của cell. SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

47

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

Trong giải pháp này, chỉ một phần của toàn bộ băng tần có thể được sử dụng ở trung tâm của cell nhưng số các băng con ở biên của cell có thể thay đổi linh hoạt tùy theo điều kiện tải lưu lượng (hình 3.9).

Hình 3.9 Phương án ICIC của Siemens 3.4.2.2 Giải pháp tái sử dụng tần số mềm hơn Phương pháp này được triển khai đầu tiên trên mạng GSM. Người sử dụng được chia ra làm người dùng ở biên và người dùng ở trung tâm cell. Phổ tần được chia ra làm ba khoảng băng tần. Người dùng ở trung tâm của cell có thể sử dụng toàn bộ băng tần và có chỉ số tái sử dụng tần số giữa các cell là 1 nhưng người dùng ở biên của cell chỉ có thể sử dụng 1/3 băng tần và chỉ số tái sử dụng tần số là 3. Các người dùng ở biên của các cell hàng xóm sử dụng những khoảng tần số khác nhau. Người sử dụng ở biên cần phải thu phát ở mức công suất cao để cải thiện tốc độ dữ liệu. Vì thế băng tần ở biên được sử dụng với công suất cao và băng tần ở trung tâm được dùng với công suất thấp. Người dùng ở trung tâm cell cũng có thể phát với tần số cao nếu họ không tạo ra nhiễu với các cell hàng xóm. Trong phương án này, vì chỉ có một phần của khoảng băng tần được sử dụng (cụ thể là 1/3) ở biên của cell nên tốc độ đỉnh của người dùng ở biên của cell thường thấp và suy hao chọn lọc tần số thu được thường lớn. 3.4.2.3 Giải pháp dựa trên tốc độ của người dùng và phân bổ tần số đa cấp Giải pháp này dựa trên sự kết hơp hai giải pháp của Ericsson và Siemens. Trong giải pháp này, một tập các băng con được sử dụng ở biên của cell trong khi toàn bộ băng tần hoàn toàn khả dụng ở trung tâm của cell với điều kiện giảm công suất của các

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

48

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

băng con khả dụng ở biên của cell. Nếu tải quá lớn ở vùng biên của một cell nhất định thì nó có thể mượn các băng tần triển khai ở biên của các cell lân cận. Hình 3.10 chỉ ra một ví dụ về sơ đồ điều khiển nhiễu liên cell dựa trên tỉ lệ người dùng và phân bổ tài tần số đa cấp. Cell 1 đang ở tình trạng tải lớn ở vùng biên trong khi các cell số 3, 5, 7 có tải thấp hơn ở vùng biên của chúng, các cell số 2, 4, 6 có tải ở mức trung bình ở cả trung tâm lẫn biên của cell. Vì thế, cell 1 có thể mượn các băng tần con từ biên của các cell 3, 5 và 7.

Hình 3.10 Phương án ICIC dựa trên lưu lượng của người dùng Một số nhược điểm của phương án này là: -

Phương pháp này làm tăng số lượng cũng như độ phức tạp của quá trình báo hiệu vì nó cần mượn các băng con từ các cell hàng xóm khi có sự tăng tải đột ngột ở biên.

-

Phương pháp này cũng làm tăng khả năng nhiễu liên kí tự vì nó sử dụng một tần số hai lần.

3.4.3 Các giải thuật lập lịch cho tài nguyên Một số giải thuật lập lịch tài nguyên vô tuyến được liệt kê và mô tả trong các mục sau đây 3.4.3.1 Phương án phân bổ tài nguyên tỉ lệ công bằng Đối với giải thuật phân bổ tài nguyên tỉ lệ công bằng cho OFDMA, độ ưu tiên cho mỗi người dùng ở mỗi khối tài nguyên được tính toán đầu tiên và sau đó, người dùng SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

49

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

với độ ưu tiên cao nhất sẽ được phân bổ khối tài nguyên và giải thuật lại tiếp tục phân bổ tài nguyên đến người sử dụng có độ ưu tiên cao nhất tiếp theo. Quá trình này tiếp tục cho đến khi tất cả các khối tài nguyên được phân bổ cho tất cả người dùng cần được phục vụ. Độ ưu tiên của người dùng thứ k cho khối tài nguyên thứ j trong thời gian ‘n’ được tính theo công thức sau:

Pk , j (n) = RDRk , j (n) / Rk (n) Trong đó RDRk,j(n) chỉ thị tốc độ dữ liệu yêu cầu cho người dùng thứ k trên khối tài nguyên thứ j trong thời gian n và R k(n) là tốc độ dữ liệu trung bình đã được lọc thông thấp của người dùng thứ k. RDR được tính toán dựa trên quá trình chọn sơ đồ điều chế và mã hóa thích ứng (AMC – Adaptive Modulation and Coding) tùy theo điều kiện của kênh truyền dẫn. RDR dành cho quá trình truyền lại sẽ khác biệt so với RDR dành cho yêu cầu tài nguyên mới vì quá trình truyền lại cần được đặc biệt chú ý để bảo đảm tiếp nhận thành công ở máy thu và trong trường hợp đó RDR được tính như sau: RDRk,j = RMCS(SNRAC) Với RMCS là bộ phận tính tốc độ và SNR AC là tỉ số tín hiệu trên nhiễu tích lũy trên kênh truyền dẫn. Mỗi chu kì lập lịch, Rk(n) sẽ được cập nhật như sau: Rk(n+1) = (1-a)Rk(n) + a. RDRk(n) Với ‘a’ là kích cỡ cửa sổ trung bình và RDR k(n) là tốc độ dữ liệu tổng hợp của người dùng thứ k trong thời gian n. 3.4.3.2 Giải thuật lập lịch cho tài nguyên dựa trên nền việc tái sử dụng tần số mềm hơn Giải thuật này, chỉ số tái sử dụng tầi số ở cả trung tâm cell và biên của cell đều là 1. Băng tần được phát ở mức công suất cao khác nhau giữa các cell liền kề nhau. Bộ lập lịch thiết kết theo giải thuật này hoạt động theo kiểu đó là các người sử dụng ở biên của cell có khả năng lớn hơn được sử dụng phổ tần với công suất cao hơn trong khi những người sử dụng ở trung tâm của cell có khả năng lớn được sử dụng phổ tần với công suất thấp. Giải thuật này có một số thay đổi nhỏ so với giải thuật tỉ lệ công bằng ở trên: Pk,j(n) = RDRk,j(n)/Rk(n)*Fk,j trong đó Fk,j là chỉ số độ ưu tiên và k,j có thể có các cặp giá trị như sau: -

F1,1 , người dùng k ở trung tâm cell, khối tài nguyên j ở mức công suất thấp

-

F1,2 , người dùng k ở trung tâm cell, khối tài nguyên j ở mức công suất cao

-

F2,1 , người dùng k ở biên của cell, khối tài nguyên j ở mức công suất thấp

-

F2,2 , người dùng k ở biên của cell, khối tài nguyên j ở mức công suất cao.

Fk,j có thể nhận giá trị giữa 0 và 1. Qua đó ta có thể gán giá trị cho k và j để kiểm soát sự phân bổ tài nguyên đến người dùng ở trung tâm của cell cũng như biên cell. SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

50

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

3.4.3.3 Giải thuật lập lịch Round Robin Với giải thuật này, tài nguyên vô tuyến được phân bổ cho người sử dụng theo kiểu round-robin. Người dùng đầu tiên được phục vụ với toàn bộ băng tần trong một chu kì thời gian xác định sau đó những tài nguyên này sẽ được thu hồi lại và phân bổ cho người dùng tiếp theo trong một chu kì khác. Người dùng đầu tiên sẽ phải chờ đến cuối cùng trong hàng đợi để có thể được cấp phát tài nguyên vô tuyến trong vòng tiếp theo. Các yêu cầu kết nối mới cũng bị đẩy xuống cuối hàng đợi. Quá trình lập lịch tiếp diễn như vậy cho đến cuối. Giải thuật này cho phép sự công bằng giữa nhiều người dùng trong việc phân bổ tài nguyên nhưng nó không thực tế khi triển khai trong mạng LTE khi mà chỉ cho phép một người dùng được sử dụng một lúc và vì thế làm giảm cấp của thông lượng hệ thống. 3.4.3.4 Giải thuật lập lịch dựa trên mức nhiễu cực đại Trong giải thuật này, người dùng được lập lịch sử dụng tài nguyên vô tuyến dựa trên mức nhiễu tổng cực đại. Giải thuật này rất đơn giản, người sử dụng được sắp xếp theo mức nhiễu mà họ đã phải chịu. Nói cách khác, người dùng có chỉ số CQI thấp nhất sẽ được xếp đầu tiên và được lập lịch sử dụng khối tài nguyên trong thời gian cụ thể. Người dùng với chỉ số CQI thấp tiếp theo sẽ được lập lịch để sử dụng tài nguyên tiếp theo. Xếp hạng ‘K’ được tính theo phương trình sau: K = arg max(γ k (t))

Ở đây γ là véc tơ chỉ mức độ nhiễu đã phải chịu của người dùng tại thời điểm t. 3.4.3.5 Giải thuật lập lịch dựa trên phân bổ động Giải thuật này cho phép sử dụng tối ưu tài nguyên vô tuyến tùy theo các loại lưu lượng mạng khác nhau. Lưu lượng thuộc lớp hội thoại được truyền trong mạng với tài nguyên sử dụng ít hơn đáng kể so với các gói dữ liệu lưư lượng được phân loại ở lớp trực tuyến. Trong giải thuật này, sự phân bổ công bằng của tài nguyên bô tuyến được đảm bảo nhưng dung lượng của lưu lượng mà nó cần phải xử lí với các khối tài nguyên thì không được đảm bảo. Giải thuật có thể tóm tắt như dưới đây: Initialization N = 50 (1,2,…,50) Until N = 0 For each k in U RB -> k; người dùng k chọn khối tài nguyên tốt nhất từ N phụ thuộc vào điều kiện kênh N = N – RB End For each End Until. SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

51

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

Trong đó N = Tổng số các khối tài nguyên có thể sử dụng U = Tổng số người dùng được ghép kênh trên một khối tài nguyên vật lí RB = Khối tài nguyên được phân bổ cho người dùng k. 3.4.4 Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu năng của các phương án ICIC Trong phần này, ta sẽ đi đánh giá hiệu quả hoạt động của một số kiểu điều phối nhiễu liên cell trong các trường hợp nhất định. Hiệu quả hoạt động thể hiện qua thông lượng của cell mục tiêu, thông lượng ở biên của cell, v.v… Các phương án được xem xét đến trong phần này bao gồm có reuse – 1, reuse – 3, cách li hoàn toàn, cách li một phần và quản lí kiểu động. 3.4.4.1 Quản lí nhiễu liên cell kiểu tĩnh với chỉ số tái sử dụng tần số 1 và 3 Các phương án quản lí nhiễu kiểu tĩnh rất hữu ích trong việc triển khai các mạng đồng nhất với điều kiện mỗi cell có cùng tải và có mô hình phân bổ kênh tương tự nhau. Giả sử ta có băng tần 10 MHz được chia thành 30 kênh con, mỗi kênh con có 20 sóng mang con, và mỗi kênh con có băng tần 0,3 MHz. Ba mươi kênh con này được chia thành 4 phần. Phần đầu tiên chứa 18 kênh con, trong khi ba phần còn lại chia đều mỗi phần có 4 kênh con. Người sử dụng ở trung tâm của cell được phân bổ các kênh con từ phân đầu tiên (1 trong 18 kênh con) trong khi những người sử dụng ở biên của cell được phân bổ cho các kênh con từ một trong ba phần còn lại (1 trong 4 kênh con). Do đó, chỉ có 18 + 4 = 22 kênh con được sử dụng trong toàn cell. Người sử dụng ở trung tâm và ở biên được phân biệt với nhau bằng cách sử dụng tổn hao đường truyền. Một ngưỡng tổn hao đường truyền được thiết lập sao cho người dùng ở biên của cell có thể chiếm điệm 4/22 vùng phủ của cell. Nếu chúng ta giả sử 1 kênh con được gán cho mỗi người dùng, có thể kết luận rằng ta đã lãng phí dung lượng với tỉ số 8/30 hay nói cách khác ta chỉ phục vụ được 22 thay vì 30 người dùng. Hình 3.11 so sánh giữa thông lượng giữa các phương án triển khai chống nhiễu liên cell. Ta có thể thấy sự khác biệt của phương án sử dụng hệ số tái sử dụng tần số bằng 1 và bằng 3. Có thể kết luận rằng nếu chỉ số tái sử dụng là 3 (reuse - 3), hệ thống có thông lượng thấp nhất, tuy không có nhiễu liên cell nhưng tài nguyên tần số được chia cho 3 cell ngang bằng nhau sẽ là một sự lãng phí lớn. Hệ thống với hệ số tái sử dụng tần số là 1 (reuse – 1) cho phép thông lượng cao hơn tuy nhiên đi kèm với đó là nhiễu liên cell làm giảm lợi thế của việc có thông lượng lớn. Các giải pháp của Ericsson và Alcatel được đề cập trước đó được phân loại là hệ thống cô lập tĩnh hoàn toàn. Hiệu năng của hai giải pháp reuse – 1 và cô lập tĩnh hoàn toàn cũng được so sánh trên hình, có thể thấy rõ hệ thống reuse – 1 có thông lượng thấp hơn do ảnh hưởng của nhiễu liên cell, trong khi đó hệ thống cô lập tĩnh hoàn toàn lại có nhược điểm là tài nguyên vô tuyến khả dụng ở mỗi cell thấp hơn hẳn.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

52

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

Hình 3.11 So sánh thông lượng cell giữa 4 phương án ICIC 1. Reuse – 1 2. Reuse – 3 3. Cách li hoàn toàn 4. Cách li một phần

Hình 3.12 So sánh thông lượng cell ở biên của cell giữa 3 phương án ICIC 1. Reuse – 1

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

53

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

2. Reuse – 3 3. Cách li một phần Hình 3.12 thể hiện thông lượng cell ở biên của cell. Thông lượng ở biên của cell cần được quan tâm nhiều hơn là thông lượng của toàn bộ cell vì người dùng ở biên của cell có khả năng bị ảnh hưởng lớn bởi nhiễu liên cell. Hình 3.11 đã chỉ rõ hệ thống reuse – 3 có thông lượng ở cell cao hơn so với hệ thống reuse – 1. Tất nhiên phải có sự đánh đổi giữa dung lượng và thông lượng ở biên của cell trong các sơ đồ phân bố tài nguyên tĩnh. 3.4.4.2 Quản lí nhiễu liên cell kiểu động

Hình 3.13 Triển khai mạng theo phương án ICIC động Trong phương án này, ta giả sử một mạng đồng nhất với các cell của mạng có tải khác nhau. Giả sử rằng cell mục tiêu là cell 1 trong hình 3.13 trên đây có tải nhiều hơn 50% so với tải của các cell liền kề. Cách tiếp cận này khá giống với thực tế khi mà tài nguyên vô tuyến cần phải được quản lí thường xuyên. Như đã đề cập ở trên, ngưỡng về tổn hao đường truyền là yếu tố phân biệt giữa người dùng ở trung tâm cell và người dùng ở biên của cell. Cell được khảo sát giảm mức ngưỡng tổn hao đường truyền dẫn đến sự gia tăng của người sử dụng ở biên của cell trong khi cùng lúc đó, các cell hàng xóm tăng ngưỡng tổn hao đường truyền. Như vậy, mức độ nhiễu liên cell ở vùng phục vụ của các cell sẽ thấp hơn. Nếu bất ngờ bất kì cell hàng xóm có nhiều người sử dụng hơn ở trong vùng phục vụ thì quy trình tương tự cũng được thực hiện lại, qua đó có thể cell hàng xóm sẽ trở thành cell mục tiêu. Hình 3.14 chỉ rõ phân tích về thông lượng của hai phương án phân bổ tài nguyên tần số tĩnh và động. Rõ ràng có thể thấy phương pháp phân bổ động vượt trên phương SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

54

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

án phân bổ tĩnh khi mà phục vụ được nhiều người sử dụng hơn (hay thông lượng hơn) kể cả ở khu vực biên của cell bằng cách duy trì giới hạn ngưỡng tổn hao đường truyền giữ vai trò quan trọng trong việc giảm nhiễu liên cell. Hình 3.14 cũng chỉ ra rằng phương án động có hiệu năng vượt hơn so với phương pháp phân bổ tĩnh ở các khu vực xung quanh với tỉ lệ cuộc gọi đến là 0,8. Có thể thấy phân bổ tài nguyên động là một lựa chọn tốt tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này đó là nó cần nhiều quá trình báo hiệu để có thể duy trì được giới hạn của ngưỡng tổn hao đường truyền. Điều này có thể dẫn đến suy giảm hiệu năng và một lượng lớn lưu lượng cần truyền tải giữa các eNodeB.

Hình 3.14 So sánh thông lượng của cell mục tiêu và cell hàng xóm trong hai phương án ICIC tĩnh và động 3.4.4.3 Quản lí nhiễu liên cell kiểu cô lập một phần Phương án quản lí kiểu cô lập một phần được phân loại là phân bổ tài nguyên kiểu bán tĩnh. Giả sử ta có 30 kênh con với mỗi kênh con có 20 sóng mang con. Đối với kiểu tĩnh cô lập hoàn toàn mỗi cell chỉ có thể sử dụng 22 kênh con với chỉ 18 kênh con phân bổ cho trung tâm của cell và 4 kênh con được dùng ở biên của cell. Trong khi đó phương án phân bổ dộng cho phép sử dụng cả 30 kênh con trong cell nhưng với cấu hình khác với phương án reuse – 1. Điều này đạt được bằng cách điều khiển công suất.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

55

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

Cũng như trong sơ đồ phân bổ kiểu cô lập hoàn toàn, 18 kênh con khả dụng ở trung tâm của cell cho phép người dùng truyền với công suất tổi đa để đạt được tỉ số tín hiệu trên nhiễu cao hơn ở phía thu và chỉ có 4 kênh con khả dụng ở biên của cell. Khi tất cả các kênh con đã được phân bổ cho người sử dụng ở trung tâm của cell và khi có nhiều yêu cầu phục của khách hàng xuất hiện, cell có thể sử dụng 8 kênh con nhưng với điều kiện là công suất truyền dẫn phải được giảm đến nhỏ nhất có thể để không gây nhiễu liên cell lên các cell hàng xóm.

Hình 3.15 So sánh tỉ lệ nghẽn giữa các phương án phân bổ tần số khác nhau Phương pháp này cho phép sử dụng nhiều tài nguyên vô tuyến hơn phương án kiểu cô lập hoàn toàn khi tất cả các kênh con đều được sử dụng trong vùng phục vụ của cell. Tất nhiên, ở vùng biên của cell dung lượng xử lí và thông lượng sẽ thấp khi chỉ có 4 trên 30 kênh khả dụng ở vùng biên. Nhưng bù lại việc tài nguyên được sử dụng hạn hẹp là việc nhiễu tối thiểu nhất có thể. Vì thế, phương pháp này thường được ưu tiên hơn so với phương pháp kiểu cô lập hoàn toàn. Phương pháp này cũng được ưu tiên hơn so với sơ đồ phân bố tài nguyên động mô tả ở phần trước vì sơ đồ phân bổ động cần nhiều quá trình báo hiệu giữa các eNodeB để quản lí tài nguyên ở biên của cell mục tiêu và cell hàng xóm. Các báo hiệu này là các mào đầu gây nên sự giảm hiệu năng hệ thống. Hình 3.15 chỉ rõ hiệu quả của phương án cô lập một phần trong việc giảm tỉ lệ nghẽn bằng cách cung cấp nhiều tài nguyên ở trung tâm cell hơn nên có thể phục vụ

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

56

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

nhiều người dùng hơn ở trong cell mục tiêu và đồng thời giảm khả năng nhiễu liên cell. 3.4.5 Đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch 3.4.5.1 Giải thuật Round Robin Trong giải thuật này tất cả tài nguyên được gắn cho một người sử dụng một lúc và tất cả người dùng khác phải chờ trong hàng đợi cho đến khi đến lượt của mình. Vì chỉ có một người sử dụng được phục vụ trong một thời điểm nên hiệu năng của hệ thống sẽ bị giảm đáng kể. Giải thuật này xếp thấp nhất trong số các giải thuật lập lịch được xét đến cho LTE. 3.4.5.2 Giải thuật dựa trên nhiễu cực đại Có rất nhiều các phân lớp lưu lượng và thông thường có hai phân lớp cần được xem xét, đó là phân lớp trực tuyến và phân lớp thời gian thực. Giải thuật này phân bổ tài nguyên chỉ dựa trên mức độ nhiễu cực đại trên kênh truyền mà không phân biệt các phân lớp lưu lượng và yêu cầu về tài nguyên của mỗi phân lớp. Nó cũng không cân nhắc đến vị trí của kênh trong khi lập lịch cho người sử dụng. Vì thế, giải thuật này không phải giải thuật tốt nhất cho việc lập lịch trong 3GPP LTE. 3.4.5.3 Giải thuật phân bổ công bằng Khi tất cả các người dùng được phân biệt và ưu tiên dựa trên yêu cầu về tài nguyên của họ và tình trạng kênh truyền, giải thuật phân bổ công bằng có thể được sử dụng với việc phân bổ tài nguyên cho người dùng dựa trên yêu cầu của họ cũng như nhiễu trên kênh truyền của họ. Tuy nhiên, giải thuật này không phân biệt người sử dụng dựa trên vị trí của họ trong cell trong khi phân bổ tài nguyên. Điều này có thể dẫn đến sự giảm cấp hiệu năng nếu ta triển khai các kĩ thuật hợp tác để chống nhiễu liên cell bán tĩnh để phân biệt người dùng ở trung tâm cell với người dùng ở biên cell. Vì thế, giải thuật này cũng không thích hợp cho 3GPP LTE. 3.4.5.4 Giải thuật lập lịch dựa trên tái sử dụng tần số mềm hơn Giải thuật này hoạt động tương tự như giải thuật phân bổ công bằng ở mục trước, đồng thời thêm vào đó, nó còn tính toán các khả năng về tài nguyên vô tuyến để xác định tài nguyên nào sẽ được phân bổ cho người dùng ở trung tâm cell hay tài nguyên nào cho người dùng ở biên cell. Nói cách khác, nó thêm vào việc cân nhắc vị trí của người sử dụng trong cell so với giải thuật phân bổ công bằng. Giải thuật này có thể nói là toàn diện khi nó xem xét đến yêu cầu về tài nguyên của người dùng, tình trạng kênh lẫn vị trí của người dùng trong cell mục tiêu. Nó cũng kết hợp hoàn hảo với kĩ thuật chống nhiễu liên cell bán tĩnh để đạt được hiệu năng hệ thống tốt nhất. 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương 3 trình bày về quá trình quản lí tài nguyên trong mạng LTE. So với các mạng di động thế hệ trước, mạng LTE có những đặc điểm khác biệt dẫn đến việc các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến cũng cần có sự thay đổi. Điểm khác biệt đầu tiên là SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

57

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Chương 3: Quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE

đơn vị tài nguyên vô tuyến trong mạng LTE tương ứng với bảy kí hiệu OFDM tạo thành một khe có độ dài 0,5 ms và 12 sóng mang con. Nói cách khác, tài nguyên chủ yếu phân bổ trong mạng LTE là sóng mang con. Điểm khác biệt thứ hai chính là cấu trúc mạng truy nhập “phẳng” đồng thời với việc hệ số tái sử dụng tần số giữa các cell là 1, điều này dẫn đến khả năng xảy ra nhiễu liên cell trong LTE là rất cao. Vì thế mạng LTE cần có một cơ chế để giải quyết vấn đề nhiễu liên cell. Phần tiếp theo trong chương 3 đi cụ thể vào khái niệm và một số giải thuật cho các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến trong LTE đặc biệt là cơ chế ICIC để giải quyết vấn đề nhiễu liên cell. Một loạt các phương án triển khai ICIC cũng như các giải thuật lập lịch tương ứng đã được đưa ra nhằm đánh giá, so sánh, tìm ra phương án triển khai ICIC nào cũng như giải thuật lập lịch nào là hiệu quả nhất đối với LTE. Bên cạnh đó là một số cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến khác như điều khiển công suất, thích ứng kết nối, quản lí tiếp nhận kết nối mới.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

58

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Kết luận chung

KẾT LUẬN CHUNG Trong quá trình nghiên cứu, chọn lọc và tìm hiểu, em đã rút ra một số điều như sau: • Mạng thông tin di động LTE là một mạng thông tin di động tiên tiến, một mạng “3.9G”, sử dụng nhiều công nghệ mới để đáp ứng được yêu cầu của IMT trên đường tiến lên 4G. • Tài nguyên vô tuyến trong các mạng di động cũng như không dây nói chung cũng như trong mạng LTE nói riêng về bản chất mang tính động, thay đổi liên tục, vì thế đòi hỏi các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến cũng phải mang tính động, và phải liên kết chặt chẽ với nhau để có thể đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng. • Mạng LTE có những đặc điểm khác biệt so các mạng thông tin di động đi trước nên cũng nảy sinh những vấn đề khác trong việc quản lí tài nguyên vô tuyến, trong đó nổi bật lên là vấn đề giải quyết các hiện tượng nhiễu liên cell. Sau một thời gian tìm tòi, nghiên cứu, nội dung đồ án tốt nghiệp “Quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng 3GPP LTE” đã đạt được như sau: • Tìm hiểu tổng quan về mạng thông tin di động 3GPP LTE, cụ thể là 3GPP release 8. • Tổng quan về quản lí tài nguyên vô tuyến, các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến thường được sử dụng trong các mạng di động. • Giới thiệu một số giải thuật sử dụng trong việc quản lí tài nguyên vô tuyến trong LTE, đặc biệt là các giải thuật chống nhiễu liên cell ICIC (Inter-cell Interference Coordination). Bên cạnh những mặt đã đạt được, do thời gian cũng như kiến thức có hạn nên đồ án vẫn còn những hạn chế nhất định đó là mới chỉ tập trung vào 3GPP release 8, trong khi đó 3GPP đã chuẩn hóa LTE Advanced đáp ứng được chuẩn 4G của IMT. Chuẩn LTE Advanced sử dụng những công nghệ mới như chuyển tiếp (Relaying), tập hợp sóng mang (Carrier Aggeration), đa anten cải tiến, quản lí nhiễu liên cell cải tiến,v.v… nhằm tăng tốc độ truyền dẫn và cải thiện chất lượng truyền dẫn. Điều này đặt ra những yêu cầu mới cho các cơ chế quản lí tài nguyên vô tuyến đồng thời cũng là phương hướng nghiên cứu tiếp theo cho đề tài của em.

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

59

Đồ án tốt nghiệp Đại học

Danh mục tài liệu tham khảo

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. ThS. Nguyễn Viết Đảm, “Bài Giảng Truyền dẫn vô tuyến số”, Khoa Viễn Thông, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, 2011. 2. ThS. Phạm Thị Thúy Hiền, “Bài Giảng Thông tin di động”, Khoa Viễn Thông, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, 2009. Tiếng Anh 1. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold “4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband” (2011) 2. Gabor Fodor, Andras Racz – Ericsson Research “Architecture and Protocol Support for Radio Resource Mangament” (2007) 3. Harri Holma, Antti Toskala “LTE for UMTS: Evolution to LTE-Advanced Second Edition” (2011) 4. Jordi Perez-Romero, Oriol Sallent, Ramon Agusti, Miguel Angel Diaz-Guerra “Radio Resource Management Strategies in UMTS” (2005) 5. Jyrki T.J.Penttinen “The LTE/SAE Deployment Handbook” (2012) 6. Sajid Hussain “Dynamic Radio Resource Mangament in 3GPP LTE” (2009) 7. Sofoklis A. Kyriazakos, George T. Karetsos “Practical Radio Resource Management in Wireless Systems” (2004) 8. Stefania Sesiam, Issam Toufik, Matthew Baker “LTE – The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice Second Edition” (2011) Website 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency-division_multiple_access 2. http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_resource_management 3. http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/lte-long-termevolution/physical-logical-transport-channels.php 4. http://www.comlab.hut.fi/opetus/238/lecture10_RRM.pdf 5. http://vntelecom.org/diendan/showthread.php?t=142 6. http://en.wikipedia.org/wiki/E-UTRA

SVTH: Trần Quang Huy - D08VT1

60