Quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống OFDMA 4g

MỤC LỤC
Mở đầu .......................................................................... Error! Bookmark not defined.
1.1

Bối cảnh và động lực ..................................................................................... 2

1.2

Mục tiêu của luận án ...................................................................................... 5

1.3

Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................... 5

1.4

Những đóng góp của luận án ......................................................................... 6

1.5

Cấu trúc nghiên cứu của luận án ................................................................... 7

CHƢƠNG II: Quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống OFDMA ........................... 9
2.1

Giới thiệu ....................................................................................................... 9

2.2

Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) ................ 9

2.3

Các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến cho các hệ thống OFDMA ........ 12

2.4

Các công cụ tối ƣu ....................................................................................... 13

2.5

Cấu trúc hệ thống ......................................................................................... 14

2.6

RRM cho đƣờng xuống của mạng OFDMA ............................................... 15

2.7

Sự cân nhắc lựa chọn cơ bản giữa hiệu suất và công bằng ngƣời sử dụng . 16

CHƢƠNG III: Phân bổ tài nguyên thích ứng công bằng/tốc độ cho mạng OFDMA
................................................................................................................................... 19
3.1

Giới thiệu ..................................................................................................... 19

3.2 Quản lý sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằng ngƣời
dùng sử dụng sự tối ƣu thích ứng tốc độ. .............................................................. 19
3.3

Phân bổ tài nguyên thích ứng công bằng/tốc độ cho hệ thống OFDMA .... 22

3.3.1

Tối đa tốc độ tổng dựa trên sự công bằng (FSRM) .............................. 24

3.3.2 Tối đa hóa tốc độ tổng với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa trên sự công
bằng (FSRM-P) .................................................................................................. 24
3.3.3 Tối đa tốc độ tối thiểu với các ràng buộc tốc độ tỉ lệ dựa trên sự công
bằng (FMMR-P) ................................................................................................. 25
3.4

Các kỹ thuật phân bổ tài nguyên đề xuất ..................................................... 26


3.4.1

Phân chia sóng mang con động ban đầu .............................................. 28

3.4.2

Sự phân chia sóng mang con động dựa trên sự công bằng .................. 28

3.4.3

Sự phân bổ công suất thích ứng dựa trên sự công bằng ...................... 32

3.4.4

Sự chi tiết các chính sách thích ứng công bằng/tốc độ ........................ 35

3.5

Các kết quả đánh giá .................................................................................... 39

3.5.1

Phân tích sơ bộ các kỹ thuật thích ứng tốc độ cổ điển ......................... 41

3.5.2

Phân tích tập trung các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ .............. 42

3.5.3

Phân tích phân phối tốc độ và tỉ lệ tốc độ ............................................ 44

3.5.4

Phân tích sự công bằng ........................................................................ 46

3.5.5

Phân tích hiệu suất ............................................................................... 49

3.5.6

Phân tích sự hài lòng ............................................................................ 53

3.5.7

Phân tích thời gian CPU ...................................................................... 55

3.6

Kết quả ......................................................................................................... 57

CHƢƠNG IV: Sự phân bổ tài nguyên dựa trên hàm tiện ích ................................... 60
4.1

Giới thiệu ..................................................................................................... 60

4.2 Quản lý sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằng ngƣời
sử dụng sử dụng lý thuyết tiện ích ......................................................................... 61
4.3 Sự phân bổ tài nguyên vô tuyến dựa trên hàm tiện ích cho hệ thống
OFDMA ................................................................................................................. 62
4.3.1

Dịch vụ phi thời gian thực .................................................................... 63

4.3.2

Dịch vụ thời gian thực .......................................................................... 68

4.4

Các khung phân bổ nguồn tài nguyên thích ứng ......................................... 70

4.4.1

Quy tắc Alpha dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ phi thời gian thực... 71

4.4.2

Quy tắc Beta dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ thời gian thực ........... 75

4.5

Kết quả đánh giá .......................................................................................... 80

4.5.1

Đánh giá hiệu suất của khung quy tắc Alpha ....................................... 82

4.5.2

Đánh giá hiệu suất của khung quy tắc Beta ......................................... 93


4.5.3 Thực hiện so sánh giữa thích ứng công bằng/tốc độ và sự phân bổ
nguồn tài nguyên dựa trên hàm tiện ích trong một kịch bản với các dịch vụ NRT
............................................................................................................. 102
4.6

Kết luận...................................................................................................... 105

CHƢƠNG V: KẾT LUẬN...................................................................................... 107
5.1

Các kết luận ............................................................................................... 107

5.2

Công việc tƣơng lai ................................................................................... 110

Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 1


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
3GPP.3rd

Generation Partnership

Tổ chức đối tác thế hệ thứ 3

Project
3GPP2.3rd Generation Partnership

Tổ chức đối tác phát triển 2 thế hệ 3

Project 2
3G

Third Generation

Thế hệ thứ ba

4G

Fourth Generation

Thế hệ thứ tƣ

ADF

Adaptive Delay-Based

Công bằng dựa trên trễ thích ứng

Fairness
AMC

Adaptive Modulation and

Điều chế và mã hóa thích ứng

Coding
APA

Adaptive Power Allocation

Phân bổ công suất thích ứng

ATF

Adaptive Throughput-Based

Công bằng dựa trên thông lƣợng

Fairness

thích ứng

BER

Bit Error Rate

Tốc độ lỗi bit

BSC

Base Station Controller

Bộ điều khiển trạm gốc

CDF

Cumulative Distribution

Hàm phân phối tích lũy

Function
CDMA

Code Division Multiple

Đa truy cập phân chia theo mã

Access
CFI

Cell Fairness Index

Chỉ số công bằng tế bào

CFT

Cell Fairness Target

Mục tiêu công bằng tế bào

CNR

Channel-to-Noise Ratio

Tỉ số kênh trên nhiễu


CoMP

Coordinated Multi-Point

Đa điểm phối hợp

CPU

Central Processing Unit

Đơn vị xử lý trung tâm

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

DAS

Distributed Antenna System

Hệ thống Anten phân phối

DSA

Dynamic Sub-carrier

Phân bổ sóng mang con động

Assignment
DSL

Digital Subscriber Line

Đƣờng thuê bao số

EI

Efficiency Indicator

Chỉ số hiệu suất

EPA

Equal Power Allocation

Phân bổ công suất ngang bằng

FDD

Frequency Division Duplex

Ghép song công phân chia theo tần
số

FER

Frame Erasure Rate

Tốc độ xóa khung

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi Fourier nhanh

FI

Fairness Indicator

Chỉ số công bằng

FIFO

First-In-First-Out

Vào đầu ra đầu

FMMR-P

Fairness-Based Max-Min

Tối đa tốc độ tối thiểu với các ràng

Rate with Proportional Rate

buộc tốc độ tỉ lệ dựa trên công bằng

Constraints
FSRM

FSRM-P

Fairness-Based Sum Rate

Tối đa tốc độ tổng dựa trên công

Maximization

bằng

Fairness-Based Sum Rate

Tối đa tốc độ tổng với các ràng buộc

Maximization with

tốc độ tỉ lệ dựa trên công bằng

Proportional Rate
Constraints


FTP

File Transfer Protocol

Giao thức truyền File

HDR

High Data Rate

Tốc độ dữ liệu cao

HOL

Head-Of-Line

Đầu hàng

HSDPA

High Speed Downlink

Truy cập gói đƣờng xuống tốc độ

Packet Access

cao

HSPA

High Speed Packet Access

Truy cập gói tốc độ cao

ID

Identification Number

Số xác minh

IEEE

Institute of Electrical and

Hội kỹ sƣ điện và điện tử di dộng

Electronics Engineers

thế giới

International Mobile
IMT-2000

Telecommunications for the

Truyền thông cho năm 2000

year 2000
ISI

Inter-Symbol Interference

Nhiễu liên kí tự

ITU

International

Đơn vị truyền thông quốc tế

Telecommunications Union
LTE

Long Term Evolution

LTE-

Long Term Evolution-

Advanced

Advanced

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy cập trung bình

MCS

Modulation and Coding

Phƣơng pháp điều chế và mã hóa

Scheme
MIMO

Multiple Input Multiple
Output

Đa đầu vào đa đầu ra


Modified Largest Weighted

Điều chỉnh trọng số trễ lớn nhất đầu

Delay First

tiên

MMF

Max-Min Fairness

Tối đa công bằng tối thiểu

MMR

Max-Min Rate

Tối đa tốc độ tối thiểu

MMR-P

Max-Min Rate with

Tối đa tốc độ tối thiểu với các ràng

Proportional Rate

buộc tốc độ tỉ lệ

M-LWDF

Constraints

MR

Max-Rate

Tốc độ tối đa

MT

Mobile Terminal

Thuê bao di động

NRT

Non-Real Time

Phi thời gian thực

OFDM

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần số

Division Multiplexin

trực giao

Orthogonal Frequency

Đa truy cập phân chia theo tần số

Division Multiple Access

trực giao

Peak to Average Power

Tỉ số công suất trung bình đỉnh

OFDMA

PAPR

Ratio
PDF

Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PF

Proportional Fairness

Công bằng tỉ lệ

PRB

Physical Resource Block

Khối tài nguyên vật lý

PSC

Packet Scheduling

Lập lịch gói

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phƣơng

Modulation
QoS

Quality of Service

Chất lƣợng dịch vụ


QPSK

Quadrature Phase Shift

Khóa dịch pha cầu phƣơng

Keying
RAT

Radio Access Technology

Công nghệ truy cập vo tuyến

RRA

Radio Resource Allocation

Phân bổ tài nguyên vô tuyến

RRM

Radio Resource

Quản lý tài nguyên vô tuyến

Management
RT

Real Time

Thời gian thực

SC-

Single Carrier Frequency

Đa truy cập phân chia tần số sóng

FDMA

Division Multiple Access

mang đơn

SINR

Signal-to-Interference plus

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp

Noise Ratio

âm

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SRM

Sum Rate Maximization

Tối đa tốc độ tổng

SRM-P

Sum Rate Maximization

Tối đa tốc độ tổng với các ràng buộc

with Proportional Rate

tốc độ tỉ lệ

Constraints
TDMA

Time Division Multiple

Đa truy cập phân chia theo thời gian

Access
TTI

Transmission Time Interval

Khoảng thời gian truyền tải

UFI

User Fairness Index

Chỉ số công bằng ngƣời sử dụng

UMTS

Universal Mobile

Hệ thống truyền thông di dộng quốc

Telecommunications System

tế

VoIP

Voice over IP

Thoại trên nền IP

WCDMA

Wideband CDMA WiMAX

CDMA Wimax băng rộng


Worldwide
bhol

Số lƣợng bit trong gói đầu hàng
Hiệu suất truyền tải khả dụng của sóng mang con thứ k đối với ngƣời

cj,k[n]

sử dụng thứ j

d

Khoảng cách giữa trạm gốc và ngƣời sử dụng

dholj

Trễ đầu hàng của ngƣời sử dụng j

dhol,filtj

Trễ đầu hàng bộ lọc của ngƣời sử dụng j

dreqj

Yêu cầu trễ của ngƣời sử dụng j

fdelay

Hằng số bộ lọc của trung bình trễ đầu hàng

fthru

Hằng số bộ lọc sử dụng trong trung bình thông lƣợng

J

Tổng số lƣợng ngƣời sử dụng

K

Tổng số lƣợng sóng mang con

Lpathj

Nhiễu đƣờng phụ thuộc khoảng cách ngƣời sử dụng j

Lshadowj

Nhiễu Shadow của ngƣời sử dụng j

Lfastj,k

Fading nhanh của ngƣời sử dụng j trong sóng mang con k

pk

Công suất truyền tải của sóng mang con k

prxj,k

Công suất nhận của ngƣời sử dụng j trong sóng mang con k
Công suất nhận trung bình của ngƣời sử dụng j trong sóng mang con

prxj,k

k

pnoise

Công suất nhiễu

Ptotal

Tổng công suất truyền tải của BS

Rj

Tốc độ truyền tải của ngƣời sử dụng j


Rcell

Tốc độ tế bào tổng

S

Tập tất cả sóng mang con trong hệ thống

Sj

Tập con sóng mang con phân bổ cho ngƣời sử dụng j

ttti

Khoảng thời gian truyền tải

Treqj

Yêu cầu thông lƣợng của ngƣời sử dụng j

Uj(⋅)

Hàm tiện ích của ngƣời sử dụng j

wnrtj

Trọng số dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ phi thời gian thực

wrtj

Trọng số dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ thời gian thực
Tham số điều khiển tính công bằng của khung quy tắc alpha dựa trên

α

hàm tiện ích
Tham số điều khiển tính công bằng của khung quy tắc beta dựa trên

β

hàm tiện ích
Tỉ số kênh trên nhiễu của sóng mang con thứ k đối với ngƣời sử dụng

γj,k

j

Γ

Khoảng SNR

∆f

Băng thông sóng mang con

∆p

Phần công suất truyền tải để hỗ trợ thích ứng công bằng

δj,k

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của ngƣời sử dụng j trong sóng mang con k
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu trung bình của ngƣời sử dụng j trong sóng

δj,k

mang con k

εnrt

Kích thƣớc bƣớc vòng lặp điều khiển của kỹ thuật ATF

εrt

Kích thƣớc bƣớc vòng lặp điều khiển của kỹ thuật ADF

ϑ

Hệ số tạp âm

λj

Yêu cầu tốc độ tỉ lệ của ngƣời sử dụng j

µ

Mức nƣớc của vấn đề waterfilling

φj

Chỉ số công bằng ngƣời sử dụng chung

φnrtj

Chỉ số công bằng ngƣời sử dụng cho dịch vụ phi thời gian thực

φrtj

Chỉ số công bằng ngƣời sử dụng cho dịch vụ thời gian thực

Φcell

Chỉ số công bằng tế bào chung

Φnrtcell

Chỉ số công bằng tế bào cho dịch vụ phi thời gian thực

Φrtcell

Chỉ số công bằng tế bào cho dịch vụ thời gian thực

Φnrtfilt

Chỉ số công bằng tế bào cho dịch vụ phi thời gian thực

Φrtfilt

Chỉ số công bằng tế bào cho dịch vụ thời gian thực

Φtargetcell

Mục tiêu công bằng tế bào chung

Φnrttarget

Mục tiêu công bằng tế bào cho dịch vụ phi thời gian thực

Φrttarget

Mục tiêu công bằng tế bào cho dịch vụ thời gian thực

ρj,k

Chỉ số kết nối của sóng mang con k với ngƣời sử dụng j

σ

Chuẩn Shadowing

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các chỉ số đánh giá của sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng
...................................................................................................................................18
Bảng 3.1 Tính năng của các phƣơng pháp thích ứng công bằng của các kỹ thuật
thích ứng công bằng/tốc độ .......................................................................................39
Bảng 3.2: Các thông số trong mô phỏng để đánh giá các kỹ thuật thích ứng công
bằng/tốc độ ................................................................................................................39
Bảng 3.3: Chỉ số công bằng tế bào trung bình nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử
dụng cho các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ ...................................................49
Bảng 3.4: Thông lƣợng tế bào tổng (Mbps) nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử
dụng cho các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ ...................................................51
Bảng 3.5: Tỉ lệ phần trăm sự hài lòng ngƣời sử dụng nhƣ một hàm của số lƣợng
ngƣời sử dụng cho các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ. ...................................54
Bảng 4.1: Các đặc tính của khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích (4.20) ........72
Bảng 4.2: Đặc tính của khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích............................77
Bảng 4.3: Các tham số mô phỏng chung cho việc đánh giá các khung dựa trên hàm
tiện ích .......................................................................................................................81
Bảng 4.4 [16] cho thấy các tham số mô phỏng cụ thể đƣợc sử dụng trong việc đánh
giá hiệu suất của khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích....................................82
Bảng 4.5 Chỉ số công bằng tế bào trung bình nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử
dụng cho khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích................................................87
Bảng 4.6: Thông lƣợng tế bào tổng trong Mbps nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử
dụng cho khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích................................................88
Bảng 4.7: Tỉ lệ phần trăm sự hài lòng ngƣời sử dụng nhƣ một hàm của số lƣợng
những ngƣời sử dụng cho khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích .....................90
Bảng 4.8: Các tham số mô phỏng cụ thể để đánh giá khung quy tắc beta dựa trên
hàm tiện ích ...............................................................................................................93

Bảng 4.9: Chỉ số công bằng tế bào trung bình là một hàm của số lƣợng ngƣời sử
dụng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích..................................................97


Bảng 4.10: Thông lƣợng tế bào tổng trong Mbps nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời
sử dụng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích .............................................98
Bảng 4.11: Tỉ lệ phần trăm của sự hài lòng ngƣời sử dụng nhƣ một hàm của số
lƣợng ngƣời sử dụng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích ......................100
Bảng 5.1 Tóm tắt các tính năng chính liên quan đến sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu
suất và tính công bằng của tất cả các kỹ thuật RRA nghiên cứu trong luận án này.
.................................................................................................................................109

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Nguồn tài nguyên truyền tải OFDMA cơ bản ..........................................11
Hình 2.2 Kiến trúc hệ thống ......................................................................................14
Hình 2.3 Sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất tài nguyên và công bằngngƣời sử
dụng trong các mạng không dây ...............................................................................17
Hình 3.1 Mặt phẳng hiệu suất-công bằng trong các mạng không dây ......................20
Hình 3.2: Mối quan hệ giữa sự phân phối QoS và thích ứng cân bằng ....................27
Hình 3.3: Sơ đồ khối chung của thuật toán phân chia sóng mang con động(DSA)
dựa trên sự công bằng ...............................................................................................29
Hình 3.4: Sơ đồ khối chung của thuật toán phân bổ công suất thích ứng (APA) dựa
trên sự công bằng ......................................................................................................33
Hình 3.5: Chi tiết các chính sách thích ứng công bằng/tốc độ với DSA ban đầu và
các thuật toán DSA và APA dựa trên sự công bằng. ................................................36
Hình 3.6: Phân tích sơ bộ các chính sách thích ứng tốc độ cổ điển ..........................42
Hình 3.7: Hàm mật độ xác suất chuẩn hóa (PDF) của số lần lặp đi lặp lại đƣợc yêu
cầu cho sự hội tụ của các kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ. ...............................43
Hình 3.8: Hàm phân phối tích lũy (CDF) của tốc độ truyền tải cho các chính sách
thích ứng công bằng/tốc độ xem xét kịch bản với 16 ngƣời sử dụng .......................45

Hình 3.9: Các biểu đồ thanh tốc độ truyền tải cho các kỹ thuật thích ứng công
bằng/tốc độ xem xét kịch bản với các mục tiêu công bằng tế bào thay đổi và 8 ngƣời
sử dụng. .....................................................................................................................48


Hình 3.10: Chỉ số công bằng tế bào trung bình nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử
dụng cho các kỹ thuật cổ điển (đƣờng liền) và thích ứng công bằng/tốc độ (đƣờng
đứt nét) ......................................................................................................................48
Hình 3.11: Tốc độ tế bào tổng nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử dụng cho các kỹ
thuật cổ điển (đƣờng liền) và thích ứng công bằng/tốc độ (đƣờng đứt nét) .............50
Hình 3.12: Mặt phẳng hiệu suất-công bằng cho các kỹ thuật cổ điểnvà kỹ thuật thích
ứng công bằng/tốc độ ................................................................................................52
Hình 3.13: Sự hài lòng của ngƣời sử dụng nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử dụng
cho các kỹ thuật cổ điển (đƣờng liền) và kỹ thuật thích ứng công bằng/tốc độ
(đƣờng đứt nét) ..........................................................................................................53
Hình 3.14: Mặt phẳng hài lòng-công bằng cho các kỹ thuật cổ điểnvà thích ứng và
công bằng/tốc độ. ......................................................................................................55
Hình 3.15: Mặt phẳng thời gian CPU-công bằng cho các kỹ thuật cổ điểnvà kỹ thuật
thích ứng công bằng/tốc độ .......................................................................................56
Hình 4.1: Sự phân chia sóng mang con động dựa trên hàm tiện ích ........................66
Hình 4.2: Phân bổ công suất Waterfilling .................................................................68
Hình 4.3 Họ của các hàm tiện ích sử dụng trong khung phân bổ tài nguyên cho các
dịch vụ NRT (quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích) ..................................................71
Hình 4.4 Sơ đồ khối của kỹ thuật công bằng dựa trên thông lƣợng thích ứng .........75
Hình 4.5 Họ của các hàm tiện ích sử dụng khung phân bổtài nguyên cho các dịch vụ
RT ..............................................................................................................................76
Hình 4.6: Thông lƣợng ngƣời sử dụng trung bình nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời
sử dụng cho các chính sách RRA cổ điển khác nhau xem xét các nhóm bên trong và
bên ngoài. ..................................................................................................................83
Hình 4.7 Phân tích sự hội tụ của chính sách ATF.....................................................85

Hình 4.8 Chỉ số công bằng tế bào trung bình nhƣ một hàm số lƣợng ngƣờisử dụng
cho khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích.........................................................86
Hình 4.9: Thông lƣợng tế bào tổng nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử dụng
chokhung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích..........................................................87
Hình 4.10 Mặt phẳng hiệu suất-công bằng cho khung quy tắc alpha dựa trên hàm
tiện ích .......................................................................................................................89
Hình 4.11 Sự hài lòng ngƣời sử dụng nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử dụngcho
khung quy tắc alpha dựa trên hàm tiện ích ...............................................................90


Hình 4.12: Mặt phẳng sự hài lòng-công bằng cho khung quy tắc alpha dựatrên tiện
ích ..............................................................................................................................91
Hình 4.13 Mặt phẳng thời gian CPU-công bằng cho khung quy tắc alpha dựatrên
tiện ích .......................................................................................................................92
Hình 4.14: Thông lƣợng sử dụng trung bình nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử
dụng cho chính sách ATF xem xét các nhóm bên trong và bên ngoài .....................93
Hình 4.15: 90 phần trăm trễ gói nhƣ là một hàm của số lƣợng ngƣời sử dụng cho
các chính sách RRA cổ điển khác nhau xem xét các nhóm bên trong và bên ngoài.
...................................................................................................................................94
Hình 4.16 Phân tích sự hội tụ của chính sách ADF ..................................................95
Hình 4.17: Chỉ số công bằng tế bào trung bình là một hàm của số lƣợng ngƣờisử
dụng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích..................................................96
Hình 4.18: Thông lƣợng tế bào tổng nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử dụngcho
khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích .................................................................97
Hình 4.19 Mặt phẳng hiệu suất-công bằng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện
ích ..............................................................................................................................98
Hình 4.20: Sự hài lòng ngƣời sử dụng nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử dụngcho
các khung quy tắc beta dựa trên hàm tiện ích ...........................................................99
Hình 4.21: Mặt phẳng sự hài lòng-công bằng cho khung quy tắc beta dựa trên hàm
tiện ích .....................................................................................................................100

Hình 4.22: Mặt phẳng thời gian CPU-công bằng cho khung quy tắc beta dựa trên
hàm tiện ích .............................................................................................................101
Hình 4.23: 90 phần trăm trễ gói nhƣ một hàm của số lƣợng ngƣời sử dụng cho chính
sách ADF xem xét các nhóm bên trong và bên ngoài.............................................102
Hình 4.24: So sánh giữa thích ứng công bằng/tốc độ và kỹ thuật RRA dựa trên hàm
tiện ích cho các dịch vụ NRT (mặt phẳng hiệu suất-công bằng) ............................103
Hình 4.25: So sánh giữa công bằng/thích ứng tốc độ và kỹ thuật RRA dựa trên hàm
tiện ích dịch vụ NRT (mặt phẳng sự hài lòng-công bằng) .......................................104
Hình 4.26: So sánh giữa thích ứng công bằng/tốc độ và kỹ thuật RRA dựa trên hàm
tiện ích cho dịch vụ NRT (mặt phẳng thời gian CPU-công bằng) ..........................104


MỞ ĐẦU
Những yêu cầu và sự mong đợi của ngƣời sử dụng và các nhà điều hành mạng
di động liên tục phát triển. Do đó, các công nghệ truy cập vô tuyến tiên tiến đã xuất
hiện. Viễn thông di động quốc tế tiên tiến (IMT-Advanced) đã đặt ra các thông số
kỹ thuật cho thế hệ mạng thông tin di động băng thông rộng (4G), nâng cao tốc độ
dữ liệu đỉnh tới 100Mbps và 1Gbps cho tính di động cao và thấp đƣợc cung cấp. Để
đạt đƣợc điều này, đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) đã đƣợc
chọn là công nghệ truy cập.
Để nghiên cứu đầy đủ sự linh hoạt của các công nghệ và sử dụng nguồn tài
nguyên vô tuyến hữu hạn một cách hiệu quả nhất, các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô
tuyến thích ứng và thông minh (RRM) là rất quan trọng. Có rất nhiều vấn đề RRM
mở trong mạng không dây nói chung và OFDMA trên các hệ thống di động nói riêng.
Một trong những vấn đề đó là sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất sử dụng tài nguyên
và công bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên giữa những ngƣời sử dụng.
Một số thuật toán RRM cơ hội phân bổ động nguồn tài nguyên tới những
ngƣời sử dụng đƣa ra chỉ số hiệu suất cao nhất đối với những nguồn tài nguyên đó.
RRM cơ hội nghiên cứu để tối đa hiệu suất trong việc sử dụng tài nguyên. Sự cân
nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng xuất hiện khi nguồn tài nguyên có các

chỉ số hiệu suất khác nhau đối với những ngƣời sử dụng khác nhau (sự phân tập đa
ngƣời sử dụng và đa tế bào). Việc sử dụng phân bổ nguồn tài nguyên cơ hội gây ra
những tình huống không công bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên. Mặt khác, các
phƣơng pháp cung cấp sự công bằng tuyệt đối bảo vệ tài nguyên của những ngƣời
sử dụng có điều kiện kênh xấu nhƣng lại cản trở những ngƣời sử dụng với điều kiện
tốt. Do đó, các phƣơng pháp này sẽ làm giảm công suất hệ thống.
Trong luận án này, một số chính sách và kỹ thuật RRM đƣợc nghiên cứu để
cân bằng sự thỏa hiệp này trong mạng OFDMA. Luận văn này nghiên cứu một mô
hình quản lý mạng mới dựa trên sự điều chỉnh chỉ số công bằng tế bào trong các
kịch bản với các dịch vụ phi thời gian thực (NRT) và dịch vụ thời gian thực (RT).
Hai phƣơng pháp kiểm soát tính công bằng đƣợc nghiên cứu: kiểm soát tức thời
bằng các kỹ thuật RRM thích ứng công bằng/tốc độ tổng quát và kiểm soát trung
bình sử dụng các khung dựa trên hàm tiện ích.
Các kỹ thuật RRM xem xét trong luận án này đƣợc đánh giá bằng các mô
phỏng hệ thống. Với mạng OFDMA, các kỹ thuật RRM thích ứng đƣợc nghiên cứu
là các công cụ có giá trị cho các nhà khai thác di động, bởi vì chúng là sự mở
rộng của các chiến lƣợc RRM cổ điển đã đƣợc biết đến trong các tài liệu. Những kỹ
thuật đó có thể đảm bảo các mức công bằng khác nhau trong hệ thống và kiểm soát
sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng ngƣời sử dụng khi phân bổ nguồn
tài nguyên. Hơn nữa, các chiến lƣợc dựa trên hàm tiện ích thực hiện kiểm soát tính
công bằng trung bình có thể cung cấp kết quả hoạt động tốt nhƣ các kỹ thuật thích
ứng công bằng/tốc độ nhƣng sử dụng tính toán ít phức tạp hơn.

1


CHƢƠNG I: Giới thiệu
1.1 Bối cảnh và động lực
Mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đƣợc thiết kế cho truyền thông đa
phƣơng tiện. Sử dụng các hệ thống này, giao tiếp giữa ngƣời với ngƣời có thể đƣợc

mở rộng với hình ảnh và video chất lƣợng cao. Việc truy nhập thông tin và dịch vụ
trên các mạng công cộng và cá nhân đƣợc cải thiện bởi tốc độ dữ liệu cao hơn và
khả năng truyền thông linh hoạt hơn. Những đặc điểm này cho phép tạo ra các cơ
hội kinh doanh mới không chỉ cho các nhà sản xuất và các nhà khai thác, mà còn
cho các nhà cung cấp nội dung và ứng dụng mạng.
Viễn thông di động quốc tế 2000 (IMT-2000) đƣa ra một tập các yêu cầu
chuẩn cho truyền thông di động 3G. Các thông số kỹ thuật IMT-2000 đƣợc phát
triển bởi Liên minh viễn thông quốc tế (ITU). Hệ thống 3G hỗ trợ tốc độ dữ liệu tối
thiểu trong các môi trƣờng di động khác nhau: 144 kbps với tính di động cao (xe
cộ); 384 kbps với tính di động thấp (đi bộ) và 2 Mbps trong môi trƣờng văn phòng
trong nhà.
Trong số các họ chuẩn phù hợp với các yêu cầu của IMT-2000: Hệ thống viễn
thông di động toàn cầu (UMTS), cdma2000 và Mobile Worldwide Interoperability
cho truy nhập Viba (WiMAX) là ba hệ thống phát triển nhất. Hệ thống WCDMA
phát triển từ hệ thống toàn cầu cho thông tin di động (GSM).Hệ thống cdma2000
phát triển từ các chuẩn IS-95 dựa trên công nghệ FDD với công nghệ đa truy nhập
phân chia theo mã (CDMA). Hệ thống di động WiMAX (802.16e-2005) tiến hóa từ
chuẩn 802.16-2001 cho hệ thống truy cập không dây băng rộng cố định dựa trên
công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Hệ thống
WCDMA đƣợc chuẩn hóa bởi Tổ chức đối tác phát triển thế hệ 3 (3GPP),
CDMA2000 bởi tổ chức đối tác phát triển 2 thế hệ 3(3GPP2) và WiMAX do viện
kỹ sƣ Điện và Điện tử (IEEE).
Tuy nhiên, những yêu cầu và sự mong đợi của ngƣời sử dụng và nhà điều
hành liên tục phát triển. Do đó các công nghệ truy cập vô tuyến đã xuất hiện. Các
họ 3GPP, 3GPP2 và IEEE đã chuẩn hóa hệ thống chuyển từ 3G sang thế hệ 4G. Ví
dụ nhƣ: truy nhập gói dữ liệu tốc độ cao 3GPP (HSPA) và Long Term Evolution
(LTE), cdma2000 Evolution-Data Optimized (EV-DO) 3GPP2 Rev.A và Rev.B và
IEEE 802.16k-2007 và 802.16-2009.
Các yêu cầu cho thông tin di động 4G đƣợc xác định bởi các thông số kỹ thuật
IMT-Advanced [1].Hệ thống này cung cấp truy cập tới một phạm vi rộng các dịch

vụ viễn thông bao gồm các dịch vụ di động tiên tiến đƣợc hỗ trợ bởi các mạng di
động và cố định. Một số đặc điểm và yêu cầu của hệ thống 4G là: băng thông rộng
2


hơn, linh hoạt phổ tần, trễ thấp, nâng cao công suất hệ thống và vùng phủ sóng,
giảm chi phí tổng cho nhà điều hành và công nghệ truy cập vô tuyến gói tối ƣu với
tốc độ dữ liệu đỉnh 100Mbps và 1 Gbps cho tính di động cao và thấp.
Ngày nay, hai nghiên cứu cho tiêu chuẩn 4G đƣợc chấp nhận bởi ITU là:
3GPP LTE-Advanced và IEEE WirelessMAN-Advanced 3 (IEEE 802.16m). Một
đặc điểm chung quan trọng của cả hai hệ thống 4G là việc sử dụng công nghệ ghép
kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) và OFDMA nhƣ phƣơng pháp truy
cập đa điểm trong các liên kết chuyển tiếp.
OFDM chia một kênh băng thông rộng thành nhiều sóng mang con hẹp song
song. Mỗi sóng mang con mang một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Điều này có hai ƣu
điểm chính: Thứ nhất, hệ thống kháng cự đƣợc với fading lựa chọn tần số đƣợc tạo
bởi sự truyền lan đa đƣờng. Do mỗi sóng mang con sẽ nhận đƣợc một đáp ứng tần
số gần nhƣ bằng phẳng. Thứ hai, nếu băng thông hệ thống là đủ lớn, tổng của các
dòng dữ liệu tốc độ thấp trên mỗi sóng mang con sẽ dẫn tới một sự truyền tải tốc độ
dữ liệu cao. Hơn nữa, việc tiếp nhận một tín hiệu OFDM chỉ đòi hỏi một bộ biến
đổi Fourier nhanh (FFT). Điều đó đem lại sự phức tạp tính toán hợp lý trong thiết bị
đầu cuối di động.
OFDM trên các hệ thống có sự phân tập đa ngƣời sử dụng, tức là những ngƣời
sử dụng có chất lƣợng kênh khác nhau đối với các sóng mang con. Sự phân tập này
có thể đƣợc nghiên cứu đầy đủ bởi OFDMA, bởi vì OFDMA cho phép nhiều ngƣời
sử dụng truyền tải đồng thời trên các sóng mang con khác nhau. Bên cạnh đó,
OFDMA tận dụng lợi thế của sự phân tập tần số, cho phép mỗi sóng mang con sử
dụng một phƣơng pháp điều chế và mã hóa khác nhau (MCS) hoặc một mức công
suất riêng. Do nguồn tài nguyên OFDMA đƣợc phân chia trong miền thời gian,
ngƣời dùng có thể truy cập hệ thống trong các khe thời gian khác nhau. Cuối cùng,

tính chất song song của ghép kênh OFDM là rất thích hợp với mô hình nhiều đầu
vào nhiều đầu ra (MIMO).
Để nghiên cứu đầy đủ tính linh hoạt đƣợc cung cấp bởi OFDMA và đạt đƣợc
các yêu cầu của hệ thống 4G, các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) hiệu
quả là rất quan trọng. Giả sử rằng, trạm gốc biết thông tin trạng thái kênh (CSI) của
những ngƣời sử dụng khác nhau, các cơ chế phân bổ thích ứng có thể đƣợc sử dụng
để phân bổ các nguồn tài nguyên hạn chế (ví dụ: băng thông và công suất) một cách
thông minh để tối đa một vài số đo hiệu suất. Vì vậy, vấn đề phân bổ các khe thời
gian, sóng mang con, tốc độ và công suất tới những ngƣời sử dụng khác nhau trong
một hệ thống OFDMA đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng.

3


Ngoài ra còn có các giải pháp khác có thể tăng hiệu suất sử dụng mạng di
động băng thông rộng đối với các yêu cầu tốc độ dữ liệu của hệ thống 4G. Nhƣ việc
tái sử dụng không gian của phổ tần số trên các tế bào chịu trách nhiệm cho sự tăng
công suất mạng không dây trong những năm qua.
Phân bổ nguồn tài nguyên cho các hệ thống thông tin di động không dây có
thể có các mục tiêu khác nhau, chẳng hạn nhƣ tối đa công suất hệ thống, vùng phủ
sóng di động, QoS ngƣời sử dụng, công bằng trong phân bổ nguồn tài nguyên. Nhìn
chung tất cả những mục tiêu này không thể đạt đƣợc cùng lúc. Dƣới đây luận văn
liệt kê một số thỏa hiệp cơ bản xuất hiện trong các mạng di động không dây:
- Vùng phủ và QoS: Do sự suy giảm tín hiệu khi truyền tải, QoS của ngƣời sử
dụng nằm ở rìa tế bào là thƣờng thấp hơn so với QoS thu bởi ngƣời sử dụng ở
gần trạm gốc. Một thủ tục đƣợc sử dụng trong việc quy hoạch và định kích cỡ
của các hệ thống di động là xác định bán kính tế bào phụ thuộc vào QoS yêu cầu
của ngƣời sử dụng. Sự cân nhắc lựa chọn là rõ ràng trong thủ tục định kích cỡ
này do yêu cầu QoS tối thiểu càng cao thì vùng phủ sóng di động sẽ càng nhỏ.
- Công suất và vùng phủ: công suất quá lớn có thể tác động tiêu cực lên độ bao

phủ của hệ thống. Đây là trƣờng hợp của các hệ thống 3G trên CDMA, các tế
bào co lại khi tải hệ thống lớn. Ở một khía cạnh khác, các trạm cơ sở với công
suất cao cung cấp độ bao phủ tốt, nhƣng cũng tạo ra nhiễu tới các tế bào lân cận.
Điều đó có thể làm giảm công suất hệ thống tổng.
- Công suất và QoS: một sự thỏa hiệu rõ ràng giữa công suất hệ thống và QoS
ngƣời sử dụng là nếu tồn tại quá nhiều ngƣời sử dụng trong hệ thống sẽ làm
giảm QoS của mỗi ngƣời sử dụng. Hơn nữa, một cách phổ biến để đánh giá công
suất hệ thống là xác định tỉ lệ phần trăm ngƣời sử dụng hài lòng. Yêu cầu phần
trăm sự hài lòng càng cao thì công suất càng thấp (và ngƣợc lại).
- Công bằng & vùng bao phủ: Vị trí ngƣời dùng ngẫu nhiên trong vùng phủ sóng
và sự biến đổi kênh không dây là nguyên nhân gây ra khác biệt trong chất lƣợng
kênh thu nhận của ngƣời sử dụng. Sự biến đổi chất lƣợng này tỉ lệ thuận với sự
phủ sóng di động: kích thƣớc tế bào càng lớn các biến đổi kênh càng cao. Thông
thƣờng, các thuật toán phân bổ nguồn tài nguyên đƣa vào tính toán CSI của
ngƣời sử dụng. Vì vậy, CSI của ngƣời sử dụng thay đổi càng cao, tínhcông bằng
trong phân bổ nguồn tài nguyên tƣơng ứng càng thấp.
- Công bằng & QoS: Vì nguồn tài nguyên không dây đƣợc giới hạn, QoS của
ngƣời sử dụng không thể đƣợc cải thiện một cách vô hạn định. Nếu QoS của số
ít ngƣời sử dụng đƣợc tối đa thì những ngƣời sử dụng khác sẽ thiếu tài nguyên.
Sự mất cân bằng này dẫn đến tính công bằng giảm. Mặt khác, nếu tính công
4


bằng cao đƣợc đảm bảo, QoS tối đa có thể đạt đƣợc đƣợc trong tình huống này
sẽ bị giới hạn.
- Công suất & công bằng: Sự thỏa hiệp này đƣợc biết đến nhƣ sự cân nhắc lựa
chọn giữa hiệu suất và tính công bằng. Để tối đa công suất của hệ thống, các
nguồn tài nguyên không dây phải đƣợc phân bổ một cách hiệu quả nhất có thể.
Điều này đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng các thuật toán phân bổ nguồn tài
nguyên cơ hội. Ở đó, thuật toán phân chia nguồn tài nguyên tới những ngƣời sử

dụng có điều kiện kênh tốt nhất đối với nguồn tài nguyên đó. Điều đó dẫn đến
công suất hệ thống tối đa do nguồn tài nguyên tập trung vào tay của những
ngƣời sử dụng tốt nhất, trong khi những ngƣời sử dụng trong điều kiện xấu sẽ
thiếu tài nguyên. Trạng thái này đƣợc đặc trƣng bởi tính công bằng thấp. Mặt
khác, nếu sự công bằng cao đƣợc yêu cầu, hệ thống buộc phải bảo vệ nguồn tài
nguyên của những ngƣời sử dụng với điều kiện kênh xấu nhất và phân bổ nguồn
tài nguyên cho họ. Khi đó, việc phân bổ nguồn tài nguyên sẽ không hiệu quả dẫn
đến công suất hệ thống tổng sẽ bị suy giảm.
Chú ý rằng các thỏa hiệp đƣợc mô tả ở trên là những sự cân nhắc lựa chọn cơ
bản đƣợc tìm thấy trong hệ thống di động tế bào và phần lớn trong số đó là công
nghệ thuật độc lập. Thiết kế hệ thống, việc triển khai các kỹ thuật cụ thể và sử dụng
các kỹ thuật RRM phù hợp có thể giúp các nhà khai thác mạng giảm sự chênh lệch
giữa các yếu tố đối lập.

1.2 Mục tiêu của luận án
Mục tiêu chính của luận án này đƣợc tóm tắt dƣới đây:
1. Quan điểm lý thuyết và đánh giá sử dụng các mô phỏng hệ thống, các giải
pháp RRM thích ứng cho đƣờng xuống OFDMA chủ yếu tập trung vào việc
tối ƣu sự phân chia sóng mang con và phân bổ công suất.
2. Nghiên cứu khái niệm cân nhắc lựa chọn cơ bản giữa hiệu suất và tính công
bằng trong các mạng không dây. Đƣa ra các nghiên cứu quản lý sự cân nhắc
lựa chọn trong OFDMA trên các hệ thống sử dụng RRM.
3. Xây dựng và đánh giá các chính sách RRM với các mục tiêu tối ƣu khác
nhau, chẳng hạn nhƣ tối đa công suất hệ thống, tối đa tính công bằng trong
phân bổ nguồn tài nguyên hoặc một sự thỏa hiệp giữa các yếu tố đó.
4. Phân tích khả năng áp dụng các công cụ tối ƣu khác nhau trong giải pháp của
các vấn đề RRM đƣợc xây dựng trong luận án này.

1.3 Phƣơng pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp luận sử dụng để thực hiện các mục tiêu đƣợc đƣa ra trong phần

trƣớc dựa trên: phân tích lý thuyết và đánh giá mô phỏng hệ thống.
5


Đầu tiên, sự sƣu tập tài liệu đƣợc tiến hành để thiết lập một nền tảng vững
chắc về đối tƣợng nghiên cứu. Các nguồn đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này là
những cuốn sách, tạp trí, bài báo đăng trong hội nghị quốc tế, thông số kỹ thuật
chuẩn hóa, các báo cáo và cơ sở dữ liệu khác có trên Internet.
Việc đánh giá hiệu suất của hệ thống thông tin liên lạc không dây chỉ sử dụng
phƣơng pháp phân tích/toán học là một nhiệm vụ rất phức tạp. Điều này là do thực
tế, sự biến đổi thời gian của các kênh vô tuyến, fading trong miền không gian và
thời gian sẽ rất khó để giải quyết bằng phƣơng pháp toán học. Vì lý do đó, các mô
phỏng hệ thống đƣợc sử dụng rộng rãi để đánh giá các khía cạnh nhƣ quy hoạch hệ
thống, đo đạc và điều chỉnh kỹ thuật và thuật toán. Trong thực tế, mô phỏng có thể
tạo ra mô hình của hệ thống với độ chi tiết cao, nó cho phép xác nhận các thuật toán
cụ thể. Trong phạm vi của luận án này, tôi đánh giá mô phỏng đƣợc sử dụng với hai
mục tiêu: 1) xác nhận các mệnh đề (giả thuyết) gắn liền với các thuật toán RRM đề
xuất; 2) đánh giá hiệu suất và so sánh các kỹ thuật RRM tƣơng ứng.
Để đạt mục tiêu này, mô phỏng hệ thống thời gian rời rạc đã đƣợc phát triển
bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab. Nó thực hiện mô hình các khía
cạnh quan trọng nhất của một mạng di động nói chung và công nghệ OFDMA nói
riêng. Các kỹ thuật RRM,các khung nghiên cứu trong luận án này đƣợc thực hiện
bằng cách đánh giá kết quả mô phỏng. Mô tả chi tiết của các mô hình đƣợc sử dụng
trong công cụ mô phỏng đƣợc đƣa ra trong phụ lục A.

1.4 Những đóng góp của luận án
Các mục tiêu đƣợc đƣa ra trong phần 1.2, sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu
đƣợc mô tả trong phần 1.3, luận án này đƣa ra những đóng góp ý nghĩa sau đây:
1. Công cụ đánh giá hiệu suất để phân tích sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất
vàtính công bằng: Luận văn đƣa ra các khái niệm về đƣờng cong và khu vực

hiệu suất-công bằng nhƣ là một công cụ trực quan để bổ sung cho việc đánh
giá hiệu suất của các kỹ thuật RRM trong mạng không dây.
2. Quản lý sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng trong mạng
OFDMA: Một sự đo lƣờng công bằng định lƣợng đƣợc sử dụng để tính chỉ
số công bằng tế bào. Mỗi giá trị của chỉ số công bằng tế bào tƣơng ứng với
một hiệu suất khác nhau trong việc sử dụng tài nguyên. Vì vậy, nếu các nhà
điều hành điện thoại di động có thể buộc mạng hoạt động trên một mức độ
công bằng mong muốn, họ có thể kiểm soát sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu
suất và công bằng. Ý tƣởng ban đầu này đƣợc xác nhận bằng cách sử dụng
các kỹ thuật phân bổ nguồn tài nguyênvô tuyến (RRA) khác nhau phù hợp

6


cho mạng OFDMA. Các kỹ thuật này đƣợc đánh giá trong các kịch bản mô
phỏng khác nhau đƣa ra ba đóng góp sau đây:
a) Phân bổ nguồn tài nguyên thích ứng công bằng/tốc độ cho dịch vụ phi
thời gian thực (NRT): thích ứng tốc độ là một phƣơng pháp tối ƣu đƣợc
biết đến cho dịch vụ NRT trong mạng OFDMA. Luận văn đƣa ra khái
quát của một số chính sách thích ứng tốc độ cổ điển và giới thiệu một
ràng buộc công bằng mới trong vấn đề tối ƣu RRA tƣơng ứng. Các kỹ
thuật RRA nghiên cứu thực hiện kiểm soát công bằng tức thời và cho
phép các nhà điều hành mạng hoạt động trên bất kỳ điểm cân nhắc lựa
chọn nào của mặt phẳng hiệu suất-công bằng.
b) Khung RRA dựa trên hàm tiện ích cho các dịch vụ NRT: Dựa trên khái
niệm lý thuyết tiện ích, luận văn nghiên cứu một khung RRA tham số
chung phù hợp cho các dịch vụ NRT có tên là quy tắc alpha dựa trên hàm
tiện ích. Sự điều chỉnh duy nhất tham số α trong cấu trúc tham số của nó,
khung RRA này có thể đƣợc thiết kế để làm việc nhƣ các chính sách
RRA cổ điển đƣợc biết đến. Hơn nữa, bằng cách sử dụng hàm tiện ích

dựa trên thông lƣợng thích ứng, nó có thể thực hiện kiểm soát trung bình
các mức độ công bằng trong hệ thống.
c) Khung RRA dựa trên hàm tiện ích cho dịch vụ thời gian thực (RT): Luận
văn cũng nghiên cứu một khung RRA mới gọi là quy tắc beta dựa trên
hàm tiện ích, tham số β kiểm soát tính công bằng có thể đƣợc điều chỉnh
để hoạt động nhƣ các chính sách RRA cổ điển đã đƣợc biết đến. Hơn nữa,
sự linh hoạt khung có thể đƣợc nghiên cứu và tính công bằng dựa trên trễ
trong hệ thống có thể đƣợc điều chỉnh để chỉ số công bằng tế bào có thể
hội tụ về một mục tiêu mong muốn.

1.5 Cấu trúc nghiên cứu của luận án
Nội dung chính của tài liệu này đƣợc cấu trúc trong bốn chƣơng và bốn phụ
lục, đƣợc mô tả ngắn gọn nhƣ sau:
Chƣơng 2 đƣa ra một mô tả tổng quát các vấn đề và các giải pháp RRM cho
OFDMA trên các mạng di động tế bào. Các chủ đề đƣợc thảo luận trong chƣơng
này là: các đặc điểm và lợi ích của công nghệ OFDMA và các kỹ thuật RRM phổ
biến nhất cho hệ thống này; một vài công cụ tối ƣu đƣợc tìm thấy trong các tài liệu
có thể giải quyết các vấn đề RRM quan trọng. Kiến trúc hệ thống đƣợc xem xét.
Giải thích chi tiết về sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng trong các
mạng không dây.

7


Có rất nhiều vấn đề RRM liên quan đến các hệ thống OFDMA trong một
trƣờng hợp đơn tế bào đơn có thể đƣợc biểu diễn bởi các công thức tối ƣu. Chƣơng
3 xem xét một trong số những công thức tối ƣu đó: sự tối ƣu thích ứng tốc độ đƣợc
biết đến. Mục tiêu của nó là tối đa hàm mục tiêu, cái phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu
của ngƣời sử dụng tức thời. Nhƣ nhận xét trong phần 1.4, luận văn nghiên cứu các
kỹ thuật RRA thích ứng công bằng/tốc độ chung có khả năng thực hiện điều khiển

công bằng tức thời. Để đạt đƣợc mục tiêu tối ƣu, luận văn sử dụng sự phỏng đoán
để nghiên cứu các thuật toán phân bổ sóng mang con động (DSA) và thuật toán
phân bổ công suất thích ứng (APA) mới. Các kết quả đánh giá đƣợc đƣa ra theo thứ
tự để chứng minh tính đúng đắn của các kỹ thuật. Mô tả chi tiết của các công cụ mô
phỏng đƣợc sử dụng trong luận án này đƣợc đƣa ra trong phụ lục A. Các chính sách
thích ứng tốc độ cổ điển đƣợc mô tả trong phụ lục B.
Lý thuyết tiện ích đƣợc sử dụng trong chƣơng 4 để nghiên cứu hai khung RRA
thích ứng phù hợp cho mạng OFDMA cung cấp các dịch vụ NRT và RT. Khung
RRA đầu tiên là kết quả của vấn đề tối ƣu hàm tiện ích dựa trên thông lƣợng (tốc độ
dữ liệu trung bình), trong khi khung RRA sau dựa trên sự tối ƣu trễ gói. Cả hai
khung đều bao gồm các thuật toán DSA và APA trên việc sử dụng các trọng số dựa
trên hàm tiện ích để cung cấp QoS khác nhau giữa những ngƣời sử dụng và điều
chỉnh sự phân bổ tính công bằng trong hệ thống nhƣ mong muốn. Hiệu suất của các
khung đƣợc đánh giá bằng mô phỏng hệ thống. Trong việc đánh giá hiệu suất này,
các khía cạnh khác nhau đƣợc xem xét, chẳng hạn nhƣ phân tích sơ bộ các kỹ thuật
RRA cổ điển, sự hội tụ của các khung đề xuất, tính công bằng, công suất hệ thống,
sự hài lòng ngƣời sử dụng và độ phức tạp thuật toán. Luận văn cũng đƣa ra một sự
so sánh giữa các kỹ thuật RRA thích ứng công bằng/tốc độ đƣợc miêu tả trong
chƣơng 3 (xây dựng công thức tối ƣu dựa trên tốc độ tức thời) và khung RRA dựa
trên hàm tiện ích phù hợp cho các dịch vụ NRT đƣa ra trong chƣơng 4 (xem xét một
cửa sổ thời gian cho sự kiểm soát tính công bằng trong vấn đề tối ƣu dựa trên hàm
tiện ích).
Cuối cùng, chƣơng 5 đƣa ra kết luận chính của luận văn. Luận văn cũng đƣa ra
tóm tắt các chức năng của tất cả các kỹ thuật RRA nghiên cứu trong luận án này
liên quan đến sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất và công bằng. Cuối cùng, một số
quan điểm cho công trình nghiên cứu tiếp theo đƣợc đƣa ra.

8

CHƢƠNG II: Quản lý tài nguyên vô tuyến cho hệ thống
OFDMA
2.1 Giới thiệu
Các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) chịu trách nhiệm cho việc sử
dụng nguồn tài nguyên của giao diện mạng di động tế bào. Các chức năng RRM là quyết
định sự bảo đảm các yêu cầu chất lƣợng dịch vụ (QoS) của các lớp dịch vụ khác nhau,
tối ƣu vùng phủ sóng, tối đa hiệu suất phổ (công suất hệ thống) và cung cấp tính công
bằng hợp lý giữ sự phân bổ tài nguyên và QoS giữa những ngƣời sử dụng khác nhau.
Công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là giao diện
vô tuyến đƣợc chọn cho các mạng 4G, ví dụ nhƣ hệ thống LTE- Advance đƣợc tiêu
chuẩn hoá bởi Tổ chức đối tác phát triển(3GPP) thế hệ 3 và hệ thống WiMAX đƣợc
tiêu chuẩn hoá bởi IEEE. OFDMA mang lại sự linh hoạt trong phân bổ tài nguyên
và khả năng nghiên cứu một loạt các chính sách RRM thúvị.
Mục đích của chƣơng này là đƣa ra bức tranh toàn cảnh của RRM cho các hệ
thống OFDMA và chỉ ra luận án này nằm ở đâu trong bức tranh đó. Chƣơng này bắt
đầu bằng mô tả sơ lƣợc về OFDMA trong phần 2.2. Phần này sẽ nêu ra lợi ích của
việc sử dụng công nghệ OFDMA, các loại tài nguyên vô tuyến khả dụng và những
kiểu phân tập có thể đƣợc nghiên cứu. Phần 2.3 đƣa ra các kỹ thuật RRM đƣợc
nghiên cứu trong luận văn này. Phần 2.4 đƣa ra những công cụ tối ƣu hoá thƣờng
dùng để giải quyết các vấn đề RRM đối với hệ thống OFDMA. Cấu trúc hệ thống
đƣợc đƣa ra trong phần 2.5. Phần 2.6 đƣa ra tổng quan các vấn đề RRM và các giải
pháp đối với các mạng OFDMA. Cuối cùng, phần 2.7 mô tả chi tiết vấn đề RRM
(vấn đề đƣợc xử lý trong suốt luận văn này): sự cân nhắc lựa chọn giữa hiệu suất sử
dụng tài nguyên và sự công bằng trong phân bổ tài nguyên.

2.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA)
Đã có nhiều công trình cố gắng để nghiên cứu về kỹ thuật ghép kênh phân
chia theo tần số trực giao (OFDM) trên các hệ thống băng thông rộng. Những đặc
tính của kênh, tín hiệu và máy thu cần chú ý đƣợc cho dƣới đây:
- Thời gian phân tán: việc sử dụng song song nhiều sóng mang con trong OFDM

giúp kéo dài khoảng thời gian ký hiệu. Thêm vào đó, thời gian bảo vệ có thể
đƣợc thêm vào để chống lại nhiễu liên kí hiệu (ISI).
- Hiệu suất phổ: OFDM đƣợc xây dựng với các sóng mang trực giao, do đó cho phép
sự phân tách tần số và hiệu suất phổ tần cao. Hiệu quả phổ cũng có các đặc tính
hàm phổ dốc (roll-off) tốt, sự gián đoạn chéo-ký hiệu có thể đƣợc xử lý thông qua
cửa sổ thời gian riêng, bộ lọc riêng hoặc thông qua một sự kết hợp của hai kỹ thuật.
- Sự thu nhận: Sự thu nhận tín hiệu OFDM yêu cầu một biến đổi Fourier nhanh
duy nhất trong các thiết bị đầu cuối di động. Hơn nữa, do chèn thêm tiền tố
khiến OFDM không nhạy cảm với các lỗi thu nhận thời gian. Mặt khác, OFDM
đòi hỏi phải thực hiện sự điều chỉnh dịch tần số.
- Sự mở rộng đa đầu vào đa đầu ra (MIMO): Vì các sóng mang con OFDM đƣợc
xây dựng nhƣ các kênh hẹp song song, quá trình fading của mỗi sóng mang con
là gần nhƣ bằng phẳng. Do đó ta có thể mô hình chúng nhƣ một hằng số độ lợi.
Điều này có thể thực hiện bởi phƣơng pháp ăng ten MIMO nếu nó đƣợc áp dụng
9


tại cơ sở của các sóng mang con hoặc kênh con.
Trong một hệ thống OFDMA tồn tại những nguồn tài nguyên khác nhau cần
đƣợc phân bổ hợp lý giữa những ngƣời sử dụng. Những nguồn tài nguyên này có
thể tóm tắt nhƣ sau:
- Tần số sóng mang con: Thích ứng miền tần số (kích thƣớc sóng mang con) đạt
độ lợi hiệu suất lớn trong trƣờng hợp kênh thay đổi vƣợt quá băng thông của hệ
thống. Do đó, thích ứng miền tần số ngày càng quan trọng với một băng thông
hệ thống ngày càng tăng. Sự truyền tải OFDM hỗ trợ lập lịch miền tần số bằng
cách phân bổ động các tập sóng mang con khác nhau chosự truyền tải đến các
thiết bị đầu cuối di động khác nhau (các MT).
- Khe/khung thời gian: Nghiên cứu sự biến đổi kênh trong miền thời gian thông
qua sự lập lịch độc lập kênh cung cấp một sự gia tăng đáng kể trong hiệu suất
phổ tần, nhƣ đã đƣợc quan sát hệ thống HSDPA chuẩn hóa bởi 3GPP. Ghép

kênh cũng có thể đƣợc thực hiện trong miền thời gian của các hệ thống OFDM,
miễn là nó xảy ra tại tốc độ kí hiệu OFDM hoặc tại bội số của tốc độ kí hiệu.
- Phƣơng pháp điều chế và mã hoá (MCS): Sử dụng điều chế và mã hoá thích ứng,
các máy phát có thể truyền tốc độ dữ cao hơn trên các sóng mang con với những
điều kiện kênh tốt hơn để cải thiện thông lƣợng đồng thời đảm bảo một tỉ lệ lỗi bit
chấp nhận đƣợc trên tấtcả sóng mang con. MCS sử dụng cho mỗi sóng mang con
có thể đƣợc thay đổi tại một bội số của tốc độ kí hiệu OFDM. Sự điều chỉnh động
của phƣơng pháp điều chế và mã hoá thƣờng đƣợc gọi nhƣ thích ứng liên kết.
- Công suất truyền tải: Do sự suy giảm chọn lọc tần số của các kênh không dây,
công suất truyền tải trên mỗi sóng mang con có thể đƣợc thích ứng để tăng hiệu
suất phổ tần. Công suất có thể đƣợc tối đa nếu công suất truyền tải lớn hơn đƣợc áp
dụng cho những khoảng tần số với sự suy giảm thấp có liên quan tới các tần số
khác. Do các sóng mang con khác nhau có sự suy giảm khác nhau và truyền tải số
lƣợng bit khác nhau, các mức công suất truyền tải phải đƣợc thay đổi cho phù hợp.
- Anten và MIMO thích ứng: Để thực hiện đƣợc các yêu cầu về độ phủ, hiệu suất
và tốc độ dữ liệu cao, phƣơng pháp đa ăngten khác nhau phải đƣợc hỗ trợ bởi
các hệ thống băng thông rộng thế hệ thứ tƣ (4G). Ví dụ, Beamforming có thể
đƣợc sử dụng để tăng công suất bao phủ, ghép kênh không gian (MIMO) có thể
đƣợc sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu bằng cách truyền nhiều luồng song song tới
một ngƣời sử dụng. Tiềm năng của việc sử dụng miền không gian là lớn, sự phát
triển của các thuật toán đa ăngten mới vàhiệu quả hơn đƣợc dự kiến sẽ tiếp tục
nghiên cứu trong tƣơng lai. Tuy nhiên, anten thích ứng làm tăng them các khía
cạnh khác của vấn đề tối ƣu tài nguyên OFDM.
Ngoài ra còn có các nguồn tài nguyên khác trong hệ thống di động OFDMA
phải đƣợc nghiên cứu bằng các thuật toán RRM nhƣ:
- Thời gian: sự phân tập thời gian xuất phát từ bản chất thời gian thay đổi của
các kênh vô tuyến. Vận tốc trong trạng thái thay đổi kênh có thể đƣợc ƣớc
tính bằng thời gian liên kết kênh.
- Tần số: các sóng mang con khác nhau của một hệ thống không dây băng
thông rộng có một sự suy giảm khác nhau (sự phân tập tần số).

10