Lập biểu phụ thuộc chất lượng kênh trong các hệ thống LTE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM




HÀ VIỆT DŨNG

LẬP BIỂU PHỤ THUỘC CHẤT LƯỢNG KÊNH TRONG CÁC
HỆ THỐNG LTE

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 60.52.70


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




HÀ NỘI – NĂM 2011

Luận văn được hoàn thành tại:
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam


Người hướng dẫn khoa học:
TS. Dư Đình Viên

Phản biện 1:



Phản biện 2:



Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông



MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, thông tin di động là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất
của viễn thông. Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ
đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữ liệu. Do đó để đáp ứng về nhu
cầu sử dụng ngày càng cao, các hệ thống thông tin di động đã không ngừng được cải tiến và được chuẩn
hóa bởi các tổ chức trên thế giới. Việc các hệ thống thông tin di động tiến lên 4G là một điều tất yếu.
Một trong những đặc tính của thông tin vô tuyến di động là sự thay đổi nhanh của môi trường
truyền dẫn. Do đó tạp âm nhiễu là một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn
của người sử dụng. Ngoài ra, nhu cầu cần một thông lượng lớn để đáp ứng nhu cầu đa dạng của người sử
dụng ngày nay đòi hỏi phải có những phương pháp nhằm tối ưu hóa lưu lượng cho người sử dụng. Từ
những yêu cầu cấp thiết như vậy, nội dung luận văn được đưa ra để xem xét cũng như đưa ra những giải
pháp để khắc phục những vấn đề cấp bách trên.
Nội dung luận văn gồm có ba chương:

Chương 1: Chương này đã xét tổng quan các quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA
(3G+) và LTE (E3G/4G-). Ngoài ra phần này cũng xét đến lộ trình tiến lên 4G, công nghệ truy nhập vô
tuyến 4G sẽ có thể gọi là IMT2000 Adv.
Chương 2: Chương này sẽ xét nguyên lí OFDM và ứng dụng của nó trong mô hình vật lí OFDMA
đường xuống của LTE và phân tích những nhược điểm của điều chế OFDM. Sau đó, chúng ta tìm hiểu
một số dạng điều chế cải tiến của OFDM là DFTS-OFDM.
Chương 3: Từ những kĩ thuật điều chế OFDMA sử dụng cho đường xuống và SC-FDMA cho
đường lên như đã xét ở chương 2, phần này sẽ trình bày những thuật toán lập biểu phụ thuộc kênh cho cả
đường lên lẫn đường xuống nhằm tối ưu hóa tài nguyên cho các người sử dụng.











CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN 3GPP LTE VÀ LỘ TRÌNH
TIẾN LÊN 4G
Chương này trình bày tổng quan về lộ trình tiến lên 4G của chuẩn 3GPP bao gồm: các phiên
bản phát hành của tổ chức 3GPP, các mục tiêu yêu cầu của LTE và cuối cùng là các tính năng quan
trọng của LTE đã đưa 3GPP cũng như viễn thông thế giới tiến tới 4G.
1.1. TỔ CHỨC 3GPP VÀ LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN LÊN 4G
1.1.1. Tổ chức 3GPP và các phiên bản phát hành
Hoạt động tiêu chuẩn hóa của tổ chức 3GPP từ năm 1999 đến 2008 được tổng kết theo thời gian
đưa ra các phát hành được biểu diễn trong hình 1.1[2].

Hình 1.1. Tiến trình các phát hành trong 3GPP [2]
1.1.1.1. Truy nhập gói tốc độ cao HSPA
Những cải tiến trong R5 này thường được nhắc đến với một tên gọi HSDPA. Sự ra đời của
HSDPA nhằm hỗ trợ mạnh mẽ các dịch vụ số liệu yêu cầu tốc độc truyền dẫn lớn như các dịch vụ tương
tác, dịch vụ nền, dịch vụ streaming. Tốc độ truyền dẫn tối đa có thể lên đến 14,4 Mbps.
Cả hai mạng HSDPA và HSUPA được gọi với cái tên chung là HSPA. Các mạng HSDPA đầu
tiên được thương mại hóa vào năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại năm 2007.
1.1.1.2. Phát triển dài hạn LTE
LTE là một trong số các con đường tiến lên 4G. LTE sẽ tồn tại trong giai đoạn đầu của 4G, tiếp
theo đó là IMT Advance 4G. LTE cho phép chuyển đổi từ từ từ 3G UMTS sang giai đoạn đầu 4G sau đó
sẽ là IMT Advance như hình 1.2[2]. Ngoài LTE của 3GPP thì 3GPP2 cũng đang thực hiện kế hoạch
nghiên cứu LTE cho mình, hệ thống do 3GPP2 đưa ra là UMB. Chương trình khung của kế hoạch này bắt
đầu từ năm 2000.
1.2. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ LTE VÀ CÁC YÊU CẦU
Mục tiêu của LTE là nghiên cứu phát triển hiệu năng hệ thống sau R6 RAN để có thể triển khai
vào năm 2010. Các nghiên cứu của LTE nhằm giảm giá thành, nâng cao hiệu suất phổ tần, thông lượng
người sử dụng và giảm thời gian trễ, giảm độ phức tạp của hệ thống (nhất là đối với các giao diện) và
quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả để dễ ràng triển khai và khai thác hệ thống.

Hình 1.2. Hội thảo nghiên cứu LTE [2]
1.2.1. Các mục tiêu yêu cầu của LTE
Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cả đường lên và xuống,
hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với các mạng đang tồn tại của 3GPP hay các
mạng khác. Các mục tiêu LTE được thể hiện dưới các khía cạnh sau.
1.2.1.1. Các khả năng của LTE
1.2.1.2. Hiệu năng hệ thống
1.2.1.3 Các khía cạnh liên quan tới triển khai
Các yêu cầu liên quan tới triển khai bao gồm các kịch bản triển khai, tính linh hoạt phổ tần, triển
khai phổ và đồng tồn tại cũng như tương tác với các mạng tồn tại khác của 3GPP như GSM,
WCDMA/HSPA.
a. Triển khai phổ tần
b. Các vấn đề tồn tại và tương tác với các 3GPP RAT
1.2.1.4. Quản lí tài nguyên vô tuyến
Các yêu cầu đối với LTE phải giảm thiểu mức độ phức tạp của UTRA UE liên quan đến kích
thước, trọng lượng và dung lượng acqui (chế độ chờ và chế độ tích cực) và các trạng thái UE đơn giản
hơn so với UMTS, nhưng vẫn đảm bảo các dịch vụ tiên tiến LTE.
1.2.2. Các mục tiêu thiết kế SAE.
1.2.2.1. Kiến trúc mạng LTE
Hình 1.9 cho thấy tổng quan về mạng truy nhập vô tuyến LTE, các Node giao diện và sự khác
biệt trong kiến trúc mạng giữa LTE và WCDMA/HSPA. Trong LTE không có Node tương đương với
RNC. Do không có hỗ trợ phân tập vĩ mô đường lên và đường xuống cho lưu lượng riêng của người sử
dụng và hơn nữa việc thiết kế giảm thiểu số lượng Node trong mạng giảm độ phức tạp, quản lý.
1.2.2.2. Lõi gói phát triển EPC
Mạng lõi được sử dụng cho WCDMA/HSPA và LTE được xây dựng trên sự phát triển mạng lõi
GSM/GPRS. Mạng lõi sử dụng cho WCDMA/HSPA rất gần với mạng lõi gốc của GSM/GPRS ngoại trừ
sự khác nhau trong việc phân chia chức năng với RAN. Tuy nhiên mạng lõi được sử dụng để kết nối tới
LTE RAN là sự phát triển triệt để hơn của mạng lõi GSM/GPRS. Vì thế nói có tên là lõi gói phát triển
EPC.

Hình 1.9. Kiến trúc mạng LTE [2]
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG
Chương này đã xét tổng quan các quá trình phát triển từ 3G WCDMA lên 3G HSPA (3G+) và LTE
(E3G/4G-). Các công nghệ truy nhập HSPA vẫn còn dựa trên công nghệ truy nhập vô tuyến CDMA của
WCDMA. Có thể nói HSPA là hậu của 3G còn LTE là tiền 4G. Trong chương này cũng xét đến lộ trình
tiến lên 4G, công nghệ truy nhập vô tuyến 4G sẽ có thể gọi là IMT2000 Adv. Nhìn chung, mục đích chính
và then chốt của các công nghệ này là đều nhằm cải thiện các thông số hiệu năng và giảm giá thành so với
các công nghệ trước đó










CHƯƠNG 2
KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA
Chương này sẽ xét nguyên lí OFDM và ứng dụng của nó trong mô hình vật lí OFDMA đường
xuống của LTE. Nhược điểm của điều chế OFDM và các phương pháp truyền dẫn đa sóng mang khác là
sự thay đổi công suất tức thời của tín hiệu phát rất lớn dẫn đến tỉ số giữa công suất đỉnh và công suất
trung bình rất lớn. Để giải quyết vấn đề này, LTE sử dụng một số dạng điều chế cải tiến của OFDM là
DFTS-OFDM. Đây là một công nghệ hứa hẹn của cho thông tin đường lên tốc độ cao trong các hệ thống
thông tin di động tương lai.
2.1. NGUYÊN LÝ ĐA TRUY NHẬP SC-FDMA
2.1.1. Nguyên lý OFDM

Ghép kênh theo tần số trực giao OFDM là một phương pháp điều chế cho phép giảm thiểu méo
tuyến tính do tính phân tán của kênh truyền dẫn vô tuyến gây ra. Nguyên lý của OFDM là phân chia toàn
bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang này. Theo đó,
luồng số tốc độ cao được chia thành nhiều luồng tốc độ thấp hơn. Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa
đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng
2.1.2. Hệ thống đơn sóng mang với bộ cân bằng miền tần số SC/FDE
Như đã trình bày OFDM là một giải pháp tốt nhằm giảm ảnh hưởng truyền tín hiệu đa đường.
Khả năng đề kháng này do OFDM phát thông tin trên N sóng mang con băng hẹp trực giao.
2.1.3. Nguyên lý truyền dẫn SC-FDMA
2.1.3.1. Sơ đồ khối hệ thống SC-FDMA










{x }
p
{X }
n
{X }
i
{x }
i
mod
s

T
mod
s
T
mod
. /
FFT s
T T P N

FFT
T












Hình 2.4. Cấu trúc bộ phát và thu của SC-FDMA và OFDMA [4].
2.1.3.2. SC-FDMA với tạo dạng phổ
Tín hiệu SC-FDMA được tạo ra trong các phần trước là có dạng hình chữ nhật. Để giảm hơn nữa
sự biến thiên của tín hiệu SC-FDMA, giảm bức năng lượng tín hiệu ngoài băng, có thể thực hiện tạo dạng
phổ thích hợp cho tín hiệu này. Sơ đồ được cho Hình 2.9 dưới đây.

Hình 2.9. Sơ đồ tạo dạng phổ cho tín hiệu SC-FDMA [4].

2.1.4. Sắp xếp các sóng mang
Giống như OFDMA, Thông lượng của SC-FDMA phụ thuộc vào cách sắp đặt các ký hiệu thông
tin lên các sóng mang con. Có hai cách sắp xếp các sóng mang con giữa các máy đầu cuối. Đó là khoanh
vùng (LFDMA: Localized SC-FDMA) và phân bố (DFDMA: Distributed FDMA).


Hình 2.12. Sắp xếp các sóng mang (a) LFDMA và (b) DFDMA [7]
2.1.5.1. Các kí hiệu miền thời gian của IFDMA
Ta có thể biểu diễn tín hiệu IFDMA trong miền thời gian như sau:
1
2
0
( ) .
i
N
j m
N
i
i
x m X e





(2.3)
Trong đó
. (0 1)
0 khác
n

i
X i Q n n P
X
   




(2.4)
Với m = P.q+p và N = Q.P; 0 ≤ q ≤ Q-1 và 0 ≤ p ≤ P-1 (2.5)
2.1.5.2. Các kí hiệu miền thời gian của LFDMA
Các kí hiệu LFDMA trong miền thời gian được biểu diễn như sau:
1
2
0
( ) .
i
N
j m
N
i
i
x m X e





(2.12)
(0 1)

0 khác
n
i
X i n n P
X
   




(2.13)
Với m = Q.p+q và N = Q.P; 0 ≤ q ≤ Q-1 và 0 ≤ p ≤ P-1 (2.14)
2.1.5.3. Các kí hiệu miền thời gian của DFDMA
Các kí hiệu DFDMA trong miền thời gian được biểu diễn như sau:
1
2
0
( ) .
i
N
j m
N
i
i
x m X e




 (2.21)

. (0 1)
0 khác
n
i
X i H n n P
X
   




(2.22)
Với m = Q.p+q; N = Q.P; 0 ≤ q ≤ Q-1; 0 ≤ p ≤ P-1 và 0 ≤ H < Q (2.23)
2.2. SC-FDMA và OFDMA
Từ hình 2.18 [7] chúng ta có thể thấy rằng lược đồ khối của bộ phát OFDMA có nhiều điểm
chung với SC-FDMA. Chỉ có duy nhất một điểm khác biệt giữa chúng là sự hiện diện của khối DFT trong
lược đồ khối SC-FDMA. Vì lý do này mà SC-FDMA đôi khi còn được gọi là DFTS-OFDMA (hay
DFTP-OFDMA).
2.3. SC-FDMA và DS-CDMA/FDE
Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) với FDE là một kỹ thuật thay thế
cho máy thu Rake, thông thường được sử dụng trong DS-CDMA với bộ cân bằng miền tần số. Một máy
thu Rake bao gồm các bộ hiệu chỉnh, mỗi bộ hiệu chỉnh một thành phần tín hiệu đa đường. Số tín hiệu đa
đường tăng thì chọn lọc tần số trong kênh cũng tăng và độ phức tạp của máy thu Rake cũng tăng lên và
cần nhiều các bộ hiệu chỉnh hơn. Việc sử dụng FDE thay vì máy thu Rake có thể làm giảm bớt vấn đề
phức tạp trong hệ thống DS-CDMA. Lược đồ khối của hệ thống DS-CDMA có thể được cho như hình vẽ
2.21 [7].
{x }
n

Hình 2.21. Hệ thống DS-CDMA [7].

2.4. KẾT LUẬN
Chương này đã xét nguyên lí chung của OFDM và DFTS-OFDM. OFDM là phương pháp truyền
dẫn đa sóng mang cho phép truyền dẫn vô tuyến băng rộng với tiết kiệm băng thông nhất. Vì thế nó có
thể được sử dụng cho mô hình vật lí của OFDMA đường xuống của LTE. Tuy nhiên do nhược điểm của
OFDM là có PAPR cao nên DFTS-OFDM được sử dụng cho mô hình lớp vật lí SC-FDMA đường lên.





















Chương 3
LẬP BIỂU PHỤ THUỘC KÊNH
Trong chương 2 chúng ta đã xem xét kĩ thuật đa truy nhập OFDMA cho đường xuống và SC-
FDMA cho đường lên. Dựa vào những kĩ thuật đa truy nhập này chúng ta đề xuất những phương pháp

lập biểu phụ thuộc kênh nhằm tối ưu hóa tài nguyên cho người sử dụng. Lập biểu phụ thuộc kênh đường
xuống đã mang lại những kết quả hết sức khả quan. Tuy nhiên lập biểu phụ thuộc kênh đường lên SC-
FDMA lại cho thấy những kết quả rất khác biệt so với đường xuống OFDM. Chương này sẽ trình bày lập
biểu phụ thuộc kênh cho cả đường lên và đường xuống. Những thách thức và hạn chế của lập biểu đường
lên và đưa ra những giải pháp cụ thể để khắc phục những khó khăn này.
3.1. LẬP BIỂU ĐƯỜNG XUỐNG
Với mục tiêu khai thác phân tập đa người sử dụng và để cung cấp khả năng linh động tốt hơn
trong việc phân bổ tài nguyên (lập biểu), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho phép
đa người sử dụng chia sẻ một cách đồng bộ các sóng mang con (OFDMA). Vấn đề công suất và phân bổ
sóng mang con trong các hệ thống OFDMA đã được nghiên cứu một cách trọng tâm. Trong các hệ thống
LTE, các tài nguyên lập biểu cho người sử dụng được đưa ra trong cả miền thời gian (TD) và miền tần số
(FD) chính khả năng này giúp tăng thông lượng hệ thống.

Hình 3.1 Cấu trúc miền thời gian tần số đường xuống LTE [11].
3.1.1. Chỉ thị chất lượng kênh (CQI)
Những người sử dụng đầu cuối cung cấp các báo cáo chỉ thị chất lượng kênh (CQI) định kì dựa
vào những đánh giá của các tỉ lệ khuếch đại trên nhiễu (GIR) trên các tín hiệu tham khảo đường xuống
của công suất đã biết. Các báo cáo CQI được truyền tải trên các kênh điều khiển đường lên tới bộ lập biểu
đặt tại trạm gốc. Báo cáo CQI của một người sử dụng có thể bao gồm thông số đánh giá GIR trên mỗi dải
băng con. Một giá trị GIR cao hơn biểu thị cho một băng con tốt hơn.
I được tính bằng tổng công suất thu I
tot
từ tất cả các trạm cơ sở trừ đi công suất thu từ trạm cơ sở
định hướng.
= 

−. (3.1)
Với N là đại lược đặc trưng cho tạm âm, thì tỉ lệ công suất trên nhiễu – GIR được tính theo công
thức sau:
=



(3.2)

Hình 3.2. Lập biểu đường xuống [11]
Nếu mỗi phần tử giá trị tỉ lệ khuếch đại trên nhiễu (GIR) của một báo cáo chỉ thị chất lượng kênh
người sử dụng nhân với công suất được phân cho băng con tương ứng với phần tử đó nó sẽ bằng giá trị tỉ
lệ tín hiệu trên tạp âm (SIR) trên mỗi băng con.
Ta có tỉ lệ tín hiệu trên tạm âm sẽ là:
=
.

(3.3)
3.1.2. Các thuật toán lập biểu tài nguyên
3.1.2.1. Thuật toán phân bổ tài nguyên công bằng tỉ lệ
Trong thuật toán lập biểu công bằng tỉ lệ cho OFDMA, mức độ ưu tiên cho mỗi người sử dụng ở
mỗi khối tài nguyên được tính toán trước tiên và sau đó người sử dụng với mức độ ưu tiên cực đại được
phân khối tài nguyên này và thuật toán tiếp tục phân khối tài nguyên tới người sử dụng này với mức ưu
tiên cực đại tiếp theo. Quá trình này tiếp tục cho đến khi tất cả các khối tài nguyên được phân hoặc tất cả
các người sử dụng được phục vụ với các khối tài nguyên.
Mức ưu tiên của người sử dụng thứ k cho khối tài nguyên thứ j trong thời gian ‘n’ được tính theo
phương trình sau:
)(/)()(
,,
nRnRDRnP
kjkjk

(3.4)
3.1.2.2. Thuật toán lập biểu tài nguyên dựa trên tái sử dụng tần số mềm hơn
Với mục tiêu giảm tiêu hao khuếch đại lập biểu lựa chọn tần số và tăng tốc độ dữ liệu tại biên ô,

lược đồ tái sử dụng tần số mềm được sử dụng. Trong lược đồ này, hệ số tái sử dụng tần số cả ở trung tâm
ô và biền ô là 1. Băng tần số công suất cao là khác nhau giữa các ô lân cận.
Bộ lập biểu tần số được thiết kế hoạt động theo một cách rằng những người sử dụng ở biên ô có
xác suất lớn hơn trong việc sử dụng băng tần số với công suất cao hơn và những người sử dụng tại tâm ô
có xác suất cao hơn trong việc sử dụng băng tần số với công suất thấp.
Chúng ta đưa ra một số biến đổi nhỏ trong thuật toán lập biểu công bằng tỉ lệ theo công thức:
jkkjkjk
FnRnRDRnP
,,,
*)(/)()( 
(3.7)
3.1.2.3. Thuật toán lập biểu Round Robin
Các nguồn tài nguyên vô tuyến được phân bổ tới các người sử dụng theo một kiểu round-robin.
Người sử dụng được tiếp cận đầu tiên sẽ được phục vụ với toàn bổ phổ tần số cho một giai đoạn thời gian
đặc biệt và sau đó những nguồn tài nguyên này sẽ thu hồi ngược trở lại và được phân tới người sử dụng
tiếp theo trong một giai đoạn thời gian khác. Người sử dụng được phục vụ trước đó được xếp ở vị trí cuối
trong hàng đợi do đó nó có thể được phục vụ với các tài nguyên tần số trong vòng kế tiếp. Những yêu cầu
mới cũng sẽ được đặt ở trí này trong hàng đợi. Lập biểu này tiếp tục theo một cách như vậy.
3.1.2.4. Thuật toán lập biểu nhiễu tối đa
Trong phương pháp này, người sử dụng được lập biểu để sử dụng các nguồn tài nguyên vô tuyến
dựa trên tổng nhiễu tối đa. Thuật toán này hướng tới những người sử dụng nào được xếp theo hàng tùy
theo nhiễu bị ảnh hưởng. Mặt khác, người sử dụng với CQI tồi nhất được xếp ở vị trí trên cùng và được
lập biểu để sử dụng các khối tài nguyên vật lý cho thời gian riêng. Người sử dụng với điều kiện kênh CQI
tồi nhất sau đó sẽ được lập biểu để sử dụng PRBs. Người sử dụng xếp ở vị trí thứ K có thể được tìm thấy
bởi sử dụng phương trình sau:
= argmax(

(

)

) (3.8)
 là vector của các nhiễu tác động bởi các người sử dụng ô trong thời gian t.
3.2. TỐI ƯU HÓA LẬP BIỂU TÀI NGUYÊN ĐƯỜNG XUỐNG TRONG CÁC HỆ THỐNG LTE
Vấn đề phân bổ các tài nguyên tới đa người sử dụng trên đường xuống của một hệ thống truyền
thông tế bào LTE luôn rất phức tạp. Một bộ lập biểu đa người sử dụng tối ưu (thông lượng tối đa) được
xem xét và đánh giá công năng của nó. Các kết quả bằng số cho thấy công năng hệ thống cải thiện với
mối tương quan chặt chẽ giữa các sóng mang con OFDMA.
3.2.1. Mô hình hệ thống
Trong mô hình hệ thống chúng ta sẽ nghiên cứu các vấn đề chia sẻ tài nguyên. Một khối lập biểu
bao gồm một số, 

, của các kí hiệu OFDM liên tiếp. L là tổng số sóng mang con và 

() ≤ là số
sóng mang con mang dữ liệu cho kí hiệu , trong đó = 1,2,…,

. Cũng như vậy, 

()
là tỉ lệ mã kết
hợp với lược đồ mã hóa điều chế  ∈
{
1,2,…,
}
,

là kích thước của MSC j và 

là khoảng thời gian
tồn tại của kí hiệu. Tiếp theo, tốc độ bit 


tương ứng với một khối lập biểu đơn được cho bởi công thức:


=


(

)
















(

)
(3.9)

U là số người sử dụng đồng bộ và 

là tổng số các khối lập biểu sẵn có trong mỗi khoảng thời gian
truyền dẫn (TTI). Thêm vào đó, 

là số tập con của 

khối lập biểu mà chỉ thị chất lượng tín hiệu
(CQI) của chúng được báo cáo bởi người sử dụng i.
3.2.2. Tối ưu hóa một người sử dụng
Trong tối ưu hóa một người sử dụng, mục tiêu là để xác định chỉ số tỉ lệ lược đồ mã hòa và điều
chế (MCS), 
∗
và tập của các khối lập biểu SB để bố trí tới người sử dụng i để tối đa hóa tỉ lệ bit được
phân, 

, được cho một tập của chất lượng kênh {
,


,

,∈

}

như hình 3.2 [11].

Hình 3.2: Mối quan hệ giữa 

,
và 
,
[11].
Đặt 

(

)
= 
∈



,
(
,
)

và 

=


,
,
,
,…,
,


()

là vector lược đồ mã
hóa và điều chế MCS cho người sử dụng I, trong đó:

,
=

0, ế ườ ử ụ  ℎô đượ ℎâ ổ  
1, ế ườ ử ụ  đượ ℎâ ổ  



tối ưu cái tối đa hóa tổng tỉ lệ bit cho người sử dụng I, được thực hiện bởi các vấn đề liên quan:
(
0
)
: max


 

,



,
(
,
)

∈

(3.11)
Với giả thiết:



,,∀,



()

(3.12)

,
∈
{
0,1
}
,∀,
Công thức trong (3.11) cho phép tỉ lệ bit được lựa chọn cho khối lập biểu n ít hơn những gì 
,

có thể hỗ trợ. Tuy nhiên có lẽ trường hợp này nếu người sử dụng i được phân nhiều hơn một khối lập biểu
trong một khoảng thời gian truyền dẫn. Rằng buộc (3.12) đảm bảo rằng MCS cho người sử dụng i có thể
chỉ nhận một giá trị đơn giữa 1 và 
 ()
.
Vấn đề tối ưu hóa trên có thể dễ dàng được giải quyết như sau. Đặt 

()
là một ma trận 

×


() với phần tử thứ (n,j)


,
()
= 

, =1,2,…,
,
(
,
)

. Biểu thị tổng các phần tử trong cột thứ
j của 
()
bởi:


()
=


,

()



(3.13)
Sau đó lược đồ mã hóa và điều chế cho người sử dụng i là:

∗
=  max


()


()
(3.14)
Và tỉ lệ bit tối đa tương ứng là 

∗
()
. Tập 

của các khối lập biểu tới người sử dụng I được cho bởi
công thức:


=





,


,

≥
∗
,∈


(3.15)
3.2.3. Bộ lập biểu tối ưu thông lượng
Trong phần này, vấn đề lập biểu đa người sử dụng được đề cập, trong đó các nguồn tài nguyên
vô tuyến được chia sẻ cùng nhau để tối ưu hóa tổng thông lượng hệ thống.
3.2.3.1. Lập biểu tối ưu hóa đa người sử dụng
Nếu có nhiều người sử dụng, việc giải quyết vấn đề tối ưu hóa trở nên phức tạp hơn. Thêm vào
đó, mỗi khối lập biểu có thể được chia sẻ hầu hết tới một người sử dụng.


,


,

=
∑

,





,


,


(3.16)
Là tốc độ tỉ lệ lỗi bít của khối lập biểu n được lựa chọn cho người sử dụng j được cho chất lượng
kênh 
,
, trong đó 
,
∈
{
0,1
}
là một quyết định nhị phân có thể thay đổi. Trong đó, 

(

)
=

∈




,
(
,
)

. Với điều kiện:


,
= 1 (3.17)


()


được đưa ra để đảm bảo rằng, MCS cho người sử dụng I có thể chỉ nhận một giá trị duy nhất giữa 1 và


(). Công thức trong (3.16) cho phép tỉ lệ bit được lựa chọn cho khối lập biểu n là nhỏ hơn những
gì 
,
có thể hỗ trợ, nhưng có thể trong trường hợp này nếu người sử dụng I được chia sẻ nhiều hơn một
khối lập biểu trong suốt khoảng thời gian truyền tải TTI. Từ công thức (3.16) và công thức (3.17), có thể
thấy rằng, khối lập biểu (SB) n có thể được lựa chọn cho người sử dụng i chỉ khi MCS 
∗
được lựa chọn
cho người sử dụng i thỏa mãn 
∗
≤
,

(
,
) được mô tả trong hình 3.3 [12].
Các vấn đề của tối đa hóa tổng các tỉ lệ bit cho tất cả người sử dụng có thể được tính theo công
thức :

(
P1
)
: max
,
∑ ∑

,∈

∑

,



,
(
,
)



(3.18)

Hình 3.3. Lựa chọn MCS. SB n có thể được lựa chọn nếu 
∗
≤
,
(
,
) và không được chọn nếu
ngược lại.
Với giả thiết (3.17) và


,


= 1, ∈



(3.19)

,
,
,
∈
{
0,1
}
,∀,,. (3.20)
Trong công thức (3.18), =



,
,= 1,…,,∈


,
=


,
,= 1,… ,,= 1,…,

()

và 
,
là một quyết định nhị phân, với giá trị 1 nếu SB n được
phân tới người sử dụng i và 0 trong những trường hợp khác. Mục đích của công thức (3.18) là để chọn giá
trị tối ưu cho A và B để tối đa hóa tỉ lệ bit chung
∑ ∑

,
,
,
(
,
)
∈




.
3.2.3.2. Mô hình tuyến tính hóa
Vấn đề (P1) là không tuyến tính bởi vì điều kiện 
,

,
trong công thức (3.18). Mặc dù các giải
pháp có thể được thực hiện sử dụng các kĩ thuật tối ưu hóa nhưng có thể vẫn không đảm bảo Để tránh
những khó khăn này, vấn đề có thể đươc truyền tải vào trong vấn đề tuyến tính tương đương bởi một thiết
bị phụ trợ 
,,
= 
,

,

Sau đó, vấn đề (P1) có thể được tuyến tính hóa như sau:



P1
′

: max
,,
∑ ∑ ∑

,,




,
(
,
)

∈



(3.21)
Theo công thức (3.17), (3.19), (3.20) và

,,
≤
,,
(3.22)

,,
≤
,
, (3.23)

,,
≥
,
−


1 −
,

 (3.24)
Trong đó M là giá trị thực dương lớn.
3.2.3.3. Lập biểu cận tối ưu đa người sử dụng
Trong các công thức lập biểu tối ưu trong (P1) và (P1’), các lược đồ mã hóa và điều chế (MCSs), các khối
lập biểu (SBs) và các người sử dụng được chia sẻ chung. Để giảm sự phức tạp trong tính toán, bộ lập biểu
cận tối ưu thực hiện chia sẻ tài nguyên trong hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên, mỗi khối lập biểu
được phân tới người sử dụng có tốc độ bít cao nhất. Giai đoạn hai, lược đồ mã hóa và điều chế tốt nhất
cho mỗi người sử dụng được xác định. Mục đích của bộ lập biểu cận tối ưu là để phân bổ một tập con rời
nhau của các khối lập biểu tới mỗi người sử dụng, qua đó giảm vấn đề tối ưu hóa đa người sử dụng chung
vào trong các vấn đề tối ưu hóa đơn người sử dụng song song U. Chúng ta sẽ gọi vấn đề hai giai đoạn này
là vấn đề (P2).
3.2.4. Bộ lập biểu tối ưu với công bằng tỉ lệ
Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét một bộ lập biểu tỉ lệ cân đối để nhằm cải thiện sự công bằng
giữa những người sử dụng
3.2.4.1. Lập biểu tối ưu hóa đa người sử dụng
Vấn đề tối ưu hóa chung có thể được đưa vào công thức sau:
(P3): max
,
∑ ∑

,
∑

,
(





()
)

,
(
,
())





(3.26)
Theo công thức (3.11), (3.19), (3.20). 

() được tính theo phương trình sau:


(

)
=




(


)
,ậ ể ô ằ ỉ ệ
1 , ậ ể ỉ ệ ố đ
(3.27)
Trong công thức (3.20), 


(

)
=
(
1 −
)



(
−1
)
+ 

(−1) là tỉ lệ bit trung bình tại thời
điểm t-1 và 
[
0,1
]
, và 

() là tỉ lệ bit được phân tới người sử dụng i tại thời điểm t.

Trong vấn đề (P3), =


,
,= 1,…,,





,=


,
,= 1,…,,= 1,…,

()

,
và 
,
là một giá trị quyết định nhị phân, lấy giá trị 1 nếu khối lập biểu n được phân tới người sử dung I
và 0 trong các trường hợp còn lại. Vấn đề (P3) là không tuyến tính bởi vì tích số 
,

,
trong công thức
(3.26). Để giải quyết vấn đề (P2) có thể được biến đổi vào trong một vấn đề tuyến tính tương đương (P3’)
bởi việc đưa ra 
,,

= 
,

,,
ví dụ:
(P3’): max
,,
∑ ∑ ∑

,,





()


,
(
,
())





(3.28)
Theo (3.11), (3.19), (3.20) kết hợp với (3.22) đến (3.24) vấn đề (P3’) có thể được giải quyết.
3.2.4.2. Lập biểu cận tối ưu đa người sử dụng

Bộ lập biểu đa người sử dụng cận tối ưu bao gồm hai giai đoạn. Trong giai đoạn đầu tiên, bộ lập
biểu là tập hợp

,

(


)
=


,
(
,
())
|
∈


(3.29)
của các chỉ số tỉ lệ tối đa, một cho mỗi khối lập biểu (SB) cho người sử dụng i tại thời điểm t. Những
người sử dụng sau đó được sắp xếp tùy theo giá trị chỉ số ưu tiên của chúng,
{


,= 1,2,…,
}
,



=


,

(


)




(

)
,ậ ể ỉ ệ ô ằ



,

(


)

, ậ ể ỉ ê ố đ
(3.30)

g(.) là một hàm phản hồi tỉ lệ bit cao nhất rằng người sử dụng i có thể được hỗ trợ trên 
,

(


)
, như là
trong phần trước, ví dụ 
∗
(

)
(

)
= 


,

(


)

.
Để cho thuận tiện, giả thiết 
()
≥

()
≥⋯≥
()
là một phiên bản được sắp xếp của
{


,

,…,

}
và ()↦ là một hàm rằng đưa chỉ số người sử dụng đương sắp xếp j tới ngay sau chỉ
số người sử dụng ban đầu i. Trong giai đoạn 2, vị trí các tài nguyên được thực hiện trong một dạng chuỗi,
người sử dụng ở một thời điểm tùy theo trật tự người sử dụng tiếp theo: 
(
1
)
,
(
2
)
,… Do đó, bắt đầu với
người sử dụng 
(
1
)
và tập ban đầu của các khối lập biểu (SBs), chỉ số lược đồ mã hóa và điều chế (MCS)
và tập hợp SBs, 


(

)
được xác định như là miêu tả trong phần 3.2.2 và được phân tới người sử dụng

(
1
)
. Các khối lập biểu (SBs) còn lại, 

(

)
= 

(

)
−

(

)
, sau đó được tạo ra sẵn sàng tới người sử
dụng 
(
2
)
. Quá trình phân bổ nguồn tài nguyên tiếp tục cho đến khi tất cả các khối lập biểu được phân bổ
hết.

3.2 LẬP BIỂU ĐƯỜNG LÊN
Kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang đơn (SC-FDMA) cho truyền dẫn đường
lên thu hút được nhiều sự quan tâm bởi vì tỉ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) thấp so
với kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Trong 3GPP LTE, SC-FDMA và
OFDMA được lựa chọn cho các truyền dẫn đường lên và đường xuống tương ứng. Các tín hiệu SC-
FDMA có thể được thực hiện bởi sử dụng OFDMA trải phổ biến đổi fourier rời rạc (DFT), trong đó DFT
được áp dụng để biến đổi các kí hiệu dữ liệu đầu vào miền thời gian tới miền tần số trước khi xử lý chúng
trong bộ điều chế OFDMA.
Hai lược đồ MIMO cho truyền dẫn đường lên SC-FDMA đang được nghiên cứu bởi 3GPP LTE,
lần lượt là, MIMO đa người sử dụng và MIMO đơn người sử dụng. Đối với MIMO đơn người sử dụng,
eNB chỉ lập biểu một người sử dụng đơn vào trong một khối tài nguyên; trong khi đối với MIMO đa
người sử dụng, các thiết bị đầu cuối đa người sử dụng được cho phép để truyền dẫn đồng bộ mỗi khối tài
nguyên. Cả MIMO vòng lặp mở và MIMO vòng lặp đóng được nghiên cứu. Tuy nhiên, cái sau cung cấp
cả khuếch đại ma trận và phân tập, vì vậy công năng tốt hơn nhiều.
3.2.1 Chỉ thị chất lượng kênh (CQI) đường lên
Đối với đường lên, giá trị tỉ lệ khuếch đại trên nhiễu của một băng con cho người sử dụng được
thực hiện bởi trạm cơ sở bởi lấy từ khuếch đại băng con của người sử dụng đó, G. và khếch đại băng con
của người sử dụng được lập biểu G
sch
từ các tín hiệu tham khảo đường lên. Người sử dụng được lập biểu
này được bố trí trong cùng một ô như người sử dụng này và đây là người được sử dụng băng con cho
truyền dẫn trong khoảng thời gian truyền tải trước đó (TTI). Công suất tín hiệu trạm cơ sở nhận từ ô này ở
đó người sử dụng được bố trí tính toán bởi nhân G
sch
với công suất truyền dẫn của người sử dụng được lập
lịch P
sch
. P
sch
được biết bởi trạm gốc nếu nó được phân bổ tới người sử dụng được lập lịch bởi trạm cơ sở

trong khoảng thời gian truyền dẫn trước (TTI). Nhiễu đường lên trên băng con I được tính bởi trừ đi công
suất tín hiệu nhận từ ô của người sử dụng G
sch
. P
sch
từ tổng nguồn công suất tín hiệu được nhận từ những
người sử dụng trong tất cả các ô I
tot
.
= 

−



(3.31)
Tỉ lệ khuếch đại trên nhiễu (GIR) đường lên có cùng công thức như là GIR đường xuống
=


(3.32)
3.2.1. Mô hình hệ thống
Chúng ta sẽ xem xét một hệ thống đa truy nhâp tế bào với các anten thu 

tại eNB và anten
truyền dẫn đơn tại đầu cuối người sử dụng thứ i, = 1,2,…,

trong đó 

là tổng số người sử dụng

trong hệ thống. Chúng ta nghiên cứu hệ thống MIMO đa người sử dụng trong cái mà K người sử dụng (
K<

) được phục vụ tại mỗi khe thời gian, và chúng ta giả thiết rằng K=

. Mô hình hệ thống cho máy
thu và phát MIMO dựa trên SC-FDMA.
3.2.2. Lập biểu đa người sử dụng tần số không gian
Truyền dẫn MIMO đa người sử dụng FDMA khoanh vùng ( Dữ liệu của mỗi người sử dụng được
truyền dẫn bởi các sóng mang con liên tiếp), Mỗi khung con truyền dẫn đường lên SC-FDMA có thể
được phân chia vào các khối tài nguyên để dễ dàng lập biểu gói nhận biết kênh đa người sử dụng. Đặt

,
là tập hợp chỉ số của các khối tài nguyên được phân tới người sử dụng i trong một khung con và


,

là độ dài tổng số khối tài nguyên trong một khung con là
|


|
. Khi đó


,

=



,

. Các khối
tài nguyên lân cận có thể được phân bổ tới một người sử dụng trong một khung con. Đặt ∅

là tập j của K
người sử dụng được lựa chọn từ 

người sử dụng trong hệ thống và Φ là toàn bộ tập hợp của K người sử
dụng được lựa chọn từ tổng 

người sử dụng, ∅

 Φ,∀j ϵ
{
1,2,…,
|
Φ
|
}
, trong đó
|
Φ
|
là kích thước của Φ
và
|
Φ
|

=

K

K


Đặt 

(∅) là hàm hiệu dụng cho khối tài nguyên thứ j.
Mục tiêu là để tối ưu hóa hàm hiệu dụng bởi lựa chọn nhóm người sử dụng với điều kiện kênh
thích hợp và tối ưu hóa tập hợp của các khối tài nguyên được phân bổ tới mỗi người sử dụng trong một
khung con. Vấn đề tối ưu hóa có thể được thể hiện như sau:
max
∀Φ;∅:
,
,


,∀∅
∑


(∅)
|


|

,

Điều kiện 1:
⋃



,

=,
∀∅

Điều kiện 2: 
,

−
,

= 1,∀ 

1,2,…,


,

−1

, (3.46)
Sau khi các nhóm người sử dụng tốt nhất cho mỗi khối tài nguyên được xác định, chúng ta sẵn
sàng cho bước thứ hai. Đặt 
,


là tập các khối tài nguyên phân bổ tới nhóm người sử dụng thứ i với một
khối tài nguyên liền kề q được thêm vào tập 
,

trong mỗi khung con. Đặt Λ
,

là gia số tỉ lệ trong
khoảng thời gian k khi nhóm người sử dụng i được phân bổ 
,

thay cho 
,.
Sau đó phân bổ khối tài
nguyên tham lam dựa tren gia số tỉ lệ và đưa chúng vào trong tập nhóm người sử dụng sẵn dùng 

.
Bước 1: Thêm tất cả các khối tài nguyên sẵn dùng Q cho tập 

=
{
1,2,…,
}
.
Bước 2: Cho mỗi khối tài nguyên, tìm nhóm người sử dụng tốt nhất theo gia số tỉ lệ cao nhất. Với mỗi
nhóm người sử dụng 
∗
và khối tài nguyên 
∗
, ta có biểu thức thể hiện sự công bằng tỉ lệ:

[

∗
,

∗
]
= max


,

Λ
,

(3.48)
Bước 3: Với mỗi nhóm người sử dụng 
∗
, tìm một khối tài nguyên lân cận 

∗
của 

∗
từ tập



−


∗


có
gia số tỉ lệ cực đại Λ
,
∗


∗
.
Bước 4: Lựa chọn nhóm người sử dụng và cặp khối tài nguyên lân cận bổ sung
[
ℎ
∗
,

∗
]
, có gia số tỉ lệ cực
đại Λ
,
∗


∗
trong tất cả các nhóm người sử dụng sẵn dùng và các khối tài nguyên.
Bước 5: Xóa khối tài nguyên 

∗

từ tập khối tài nguyên sẵn dùng 

và nhóm người sử dụng tương ứng
của nó là 
∗
trong tập nhóm người sử dụng sẵn dùng 

. Lập lại bước 3, 4, 5 cho đến khi tất cả các khối
tài nguyên được phân bổ hết.
3.4. KẾT LUẬN
Thông qua chương ta đã xét một số công nghệ được sử dụng như là các công nghệ then chốt trong
các hệ thông thông tin di động 3G tăng cường và 4G: lập biểu biểu phụ thuộc kênh cho đường lên và
đường xuống. Lập biểu phụ thuộc kênh giảm thiểu lượng tài nguyên cần thiết cho một người sử dụng vì
thế cho phép người tiêu dùng sử dụng nhiều hơn trong hệ thống trong khi vẫn đáp ứng được yêu cầu chất
lượng dịch vụ.
KẾT LUẬN
Nội dung luận văn được đưa ra nhằm giải quyết vấn đề tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến cho người
sử dụng thông qua việc khắc phục ảnh hưởng can nhiễu từ môi trường truyền dẫn cũng như nâng cao hiệu
suất thông lượng truyền tải tới các thiết bị đầu cuối và ngược lại. Để giải quyết vấn đề này, lập biểu phụ
thuộc kênh đường xuống và đường lên được đưa ra xem xét. Do công suất phát từ thiết bị đầu cuối tới
trạm cơ sở thường rất bé và không ổn định nên bài toán lập biểu phụ thuộc kênh đường lên thường khó
khăn và phức tạp hơn nhiều so với bài toán lập biểu cho đường xuống. Từ những công thức và những
thuật toán được trình bày trong chương ba để đưa ra những ra những giải pháp lập biểu tốt nhất hướng tới
nhu cầu và mục đích của người sử dụng. Chính từ những băn khoăn như thế, luận văn đưa ra xem xét
gồm những phần sau:
+ Lập biểu phụ thuộc kênh đường xuống (OFDMA)
- Đưa ra các thuật toán lập biểu được sử dụng phổ biến: Thuật toán Round Robin, thuật toán
tái sử dụng tần số mềm hơn, thuật toán công bằng tỉ lệ và thuật toán nhiễu tối đa.
- Dựa trên cở sở các thuật toán đưa ra các công thức toán để tối ưu hóa đơn người sử dụng
- Tối ưu hóa đa người sử dụng và tối ưu hóa đa người sử dụng cận tối ưu.

+ Lập biểu phụ thuộc kênh đường lên (SC-FDMA)
- Ứng dụng các thuật toán đã đề cập trong lập biểu đường lên để tối ưu hóa đa người sử dụng
thông qua những công thức tính toán toán học với việc sử dụng kĩ thuật MIMO SC-FDMA
Dựa trên các kết quả đạt được hướng nhiên cứu tiếp theo của luận văn sẽ là:
Thứ nhất, nghiên cứu phương pháp để cải thiện hơn nữa thông lượng truyền dẫn của hệ thống SC-
FDMA.
Thứ hai, tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật SC-FDMA cùng với các cơ chế lập lịch để cho thông lượng
tốt nhất trong điều kiện phục vụ cho cả đầu cuối di chuyển với tốc độ thấp và cao