Đánh giá hiệu năng của một số thuật toán lập lịch trên đường downlink trong mạng LTE luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 02 03

ĐAỊ HOCC̣ QUỐC GIA HÀNÔỊ
TRƢỜNG ĐAỊ HOCC̣ CÔNG NGHÊ
===============

CAO THIÊṆ THẮNG

ĐÁNH GIÁHIÊỤ NĂNG CỦA MÔṬ SÔ
THUÂṬ TOÁN LÂPC̣ LICḤ TRÊN ĐƢỜNG
DOWNLINK TRONG MANGC̣ LTE

LUÂṆ VĂN THACC̣ SĨ CÔNG NGHÊĐIÊṆ TƢƢ̉- VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2013


ĐAỊ HOCC̣ QUỐC GIA HÀNÔỊ
TRƢỜNG ĐAỊ HOCC̣ CÔNG NGHÊ
===============

CAO THIÊṆ THẮNG

ĐÁNH GIÁHIÊỤ NĂNG CỦA MÔṬ SÔ
THUÂṬ TOÁN LÂPC̣ LICḤ TRÊN ĐƢỜNG

DOWNLINK TRONG MANGC̣ LTE

Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 02 03

LUÂṆ VĂN THACC̣ SĨ CÔNG NGHÊĐIÊṆ TƢƢ̉- VIỄN THÔNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN NAM HOÀNG

HÀ NỘI - 2013


1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống không
sao chép, những kết quả đo đạc mô phỏng có trong luận văn chưa từng đươcC̣ công
bốtừ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức. Các thông tin sử dụng trong luận văn có
nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng .
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các
tài liệu khác.
Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm 2013
TÁC GIẢ

CAO THIÊN THẮNG


2

LỜI CẢM ƠN
Trong thơi gian hocC̣ tâpC̣, nghiên cưu va hoan thiêṇ luâṇ văn, em đa nhâṇ đươcC̣
̀̀

sự giúp đỡ rất tâṇ tinh va chu đao cua cac thầy cô giao trong khoa Điêṇ tư
̀̀

thông Trương ĐaịhocC̣ Công nghê,C̣ĐaịhocC̣ quốc gia Ha Nôị.
̀̀

Đầu tiên em xin gửi l ời cảm ơn sâu sắc tới
đa t ̃ âṇ tinh̀ hướng dâñ vàgiúp đỡem hoàn thành luâṇ văn tốt nghiêpC̣ thacC̣ sỹtrong
suốt thời gian vừa qua.
Em cũng xin cảm ơn các quýthầy cô , các anh chị và các bạn tại khoa Điện tử
- Viêñ thông, ĐaịhocC̣ Công nghê đC̣ a c ̃ ónhững góp ý kịp thời và bổ ích , giúp đỡ em
trong suốt quátrinh̀ nghiên cứu luâṇ văn này.
Ngoài ra ,
nhưng ngươi đa luôn ung hô eC̣ m trong suốt qua trinh hocC̣ tâpC̣ va hoan tha
̀ ̃

̀̀

trình đào tạo Thạc sỹ tại khoa Điện tử – Viêñ thông, ĐaịhocC̣ Công nghê.C̣

MăcC̣ du em đa nỗlưcC̣ va cốgắng hoan thiêṇ luâṇ văn b
năng lưcC̣ của minh̀ , tuy nhiên không thểtránh khỏi những thiế u sót, rất mong nhâṇ
đươcC̣ những đóng góp quýbáu của quýthầy cô vàcác baṇ.
Em xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm 2013
HỌC VIÊN

CAO THIÊN THẮNG


3

́

́

DANH MUCC̣ KÝHIÊỤ VÀTƢƢ̀VIÊT TĂT
3GPP

Third Generation Partnership Project

ACK

Acknowledge

AMC

Adaptive modulation and coding

BLER

Block Error Ratio

BS

Base Station

eNodeB

Base Station (LTE)

CLSM

Closed Loop Spatial Multiplexing

CP

Cyclic Prefix

CQI

Channel Quality Indicator

CRC

Cyclic Redundancy Check

DwPTS

Downlink Pilot Time Slot

EDCF

Empirical Cumulative Distribution Function

EUL

Enhanced Uplink

FDD

Frequency Division Duplex

GP

Guard Period

H-ARQ

Hybrid Automatic Retransmission Request

HSDPA

High Speed Downlink Packet Access

LA

Link Adaptive

LTE

Long Term Evolution

MIMO

Multiple Input Multiple Output

MME

Mobile Management Entity

MS

Mobile Station

NACK

Not Acknowledge

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiplex Access

OLSM

Open Loop Spatial Multiplexing


4

OPP

Object Oriented Programming

PBCH

Physical Broadcast Channel

PCFICH

Physical Control Format Indicator Channel

PDCCH

Physical Downlink Control Channel

PDSCH

Physical Downlink Shared Channel

PHICH

Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel

PMCH

Physical Multicast Channel

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QoS

Quality of Service

QPSK

Quadrature Phase-Shift Keying

RB

Resource Block

RE

Resource Element

RR

Round Robin

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access
SISO

Single Input Single Output

TB

Transport Block

TDD

Time Division Duplex

TTI

Transmission Time Interval

UE

User Equipment

UMTS

Universal Mobile Telecommunications System

UpPTS

Uplink Pilot Time Slot

WCDMA

Wideband Code Division Multiple Access


5

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN............................................................................................0
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................2
DANH MUCC̣ KÝHIÊỤ VÀTƢƢ̀VIẾT TẮT...................................................3
MỤC LỤC............................................................................................................................................ 5
DANH MỤC BẢNG........................................................................................7
DANH MỤC HÌNH ẢNH...............................................................................8

Ƣ̀

LỜI MỞĐÂU.................................................................................................10
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE..................................................12
1.1. Một số đặc trưng của mạng LTE..............................................................12
1.1.1. Tốc độ dữ liệu đỉnh........................................................................... 12
1.1.2. Độ trễ................................................................................................ 13
1.1.3. Thông lượng người dùng...................................................................13
1.1.4. Khả năng di động..............................................................................13
1.1.5. Sự linh hoạt của băng thông và phổ tần số.......................................13
1.1.6. Vùng bao phủ....................................................................................14
1.2. Tổng quan về đường downlink LTE........................................................ 14
1.2.1. Phương thức đa truy nhập OFDMA................................................. 14
1.2.2. Kiến trúc khung gói tin......................................................................15
1.2.3. Kênh vật lý downlink LTE.................................................................17
1.3. Mô hình kênh truyền đa anten MIMO..................................................... 21
Chương 2: THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG MẠNG LTE.................23
2.1.Thuật toán xoay vòng................................................................................27
2.2. Thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất................................. 28
2.3. Thuật toán cân bằng.................................................................................30

́

Chương 3: KÊT QUẢMÔ PHỎNG.............................................................32
3.1. Chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator........................... 32
3.2. Các kịch bản và kết quả mô phỏng.......................................................... 35


6

3.2.1. So sánh hiệu năng giữa các thuật toán lập lịch sử dụng chung
cấu hình....................................................................................................... 36
3.2.2.Thay đổi vâṇ tốc của người dùng.......................................................44
3.2.3.Thay đổi mô hiǹ h truyền MIMO.........................................................45
3.2.4.Thay đổi sốlươngg̣ người dùng UEs/cell............................................. 47
3.2.5.Thay đổi băng thông hệ thống............................................................50

́

KÊT LUÂṆ....................................................................................................52
TÀI LIÊU THAM KHẢO............................................................................53


7

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tỷ lệ băng thông và RBs ..........................................................................
Bảng 2.1.Chỉ số CQI .................................................................................................
Bảng 3.1. Cấu hình mô phỏng để so sánh hiệu năng giữa các thuật toán .................
Bảng 3.2. So sánh hiệu năng của các thuật toán lập lịch ..........................................
Bảng 3.3. So sánh hiệu năng khi thay đổi vận tốc người dùng với PF scheduler .....
Bảng 3.4. Các mô hình kênh truyền MIMO .............................................................
Bảng 3.5. So sánh hiệu năng khi thay đổi số UEs/cell với PF scheduler .................
Bảng 3.6. So sánh hiệu năng khi thay đổi băng thông với PF scheduler ..................


8

DANH MUCC̣ HÌNH ẢNH

Hình 1.1. OFDM và OFDMA .......................................................................
Hình 1.2. Cấu trúc frame LTE [6] .................................................................
Hình 1.3. Frame loại 2 ...................................................................................
Hình 1.4. Kênh đường xuống LTE ...............................................................
Hình 1.5. Ký hiệu tham chiếu downlink LTE sử dụng tiền tố lặp normal ...
Hình 1.6. Qúa trình truyền trên đường downlink LTE .................................
Hình 1.7. Tổ chức tài nguyên vô tuyến trên đường downlink ......................
Hình 1.8. Mô hình truyền đa anten MIMO ...................................................
Hình 1.9. Các mô hình MIMO trên đường downlink LTE ...........................
Hình 2.1. Đáp ứng kênh truyền LA ..............................................................
Hình 2.2. Ánh xạ giữa giá trị SNR và CQI ...................................................
Hình 2.3. Những chức năng lớp 2 cho việc lập lịch gói tin động, đáp ứng
kênh truyền và quản lý HARQ ......................................................
Hình 2.4. Thuật toán Round Robin ...............................................................
Hình 2.5. Sơ đồ thuật toán Round Robin ......................................................
Hình 2.6. Thuật toán Best CQI .....................................................................
Hình 2.7. Sơ đồ thuật toán Best CQI ............................................................
Hình 2.8. Sơ đồ thuật toán Proportional Fair ................................................
Hình 3.1. Ánh xạ CQI – BLER taịđiểm BLER = 10% ................................
Hình 3.2. Ánh xạ CQI – SNR taịđiểm BLER = 10% ..................................
Hình 3.3. Phân bố UEs vàeNodeBs khi lập lịch bằng thuật toán RR ..........
Hình 3.4. Thông lượng người dùng khi lập lịch bằng thuật toán RR ...........
Hình 3.5. Thông lượng người dùng khi lập lịch bằng thuật toán Best CQI . 40
Hình 3.6. Thông lượng người dùng khi lập lịch bằng thuật toán PF ............
Hình 3.7.

Hàm phân

Hình 3.8.

Tốc đô C̣dư
̀


9

Hình 3.9. Thông lượng
scheduler .......................................................................................

Hình 3.10. Thông lượng
scheduler .......................................................................................

Hình 3.11. Hàm phân phối tích lũy của thông lượng người dùng ..................
Hình 3.12. Phụ thuộc giữa SINR và UE throughput.......................................
Hình 3.13.Phân bố UEs vàcells khi có5 UEs/cells, PF Scheduler ................
Hình 3.14. Phân bố UEs vàcells khi có50UEs/cell, PF Scheduler ...............
Hình 3.15. Thông lượng trung bình với 5 UEs/cel, PF Scheduler ..................
Hình 3.16. Thông lượng trung bình với 50UEs/cell, PF Scheduler ................
Hình 3.17. Thông lượng
scheduler .......................................................................................

Hình 3.18. Thông lượng người dùng vơi bandwidth
scheduler .......................................................................................


10

Ƣ̀

LỜI MỞĐÂU

Thế hệ di động thứ 4 LTE là một cuộc cách mạng của UMTS được chuẩn hóa
bởi 3GPP Rel8 để theo kịp sự phát triển của mạng vô tuyến băng thông rộng với
dung lượng và tốc độ truyền tải dữ liệu mức cao. LTE được kích hoạt trên một số
thiết bị di động như smartphones, laptops, tablets giúp người dùng truy nhập
Internet với tốc độ cao và sử dungC̣ đa dịch vụ. Về mặt kỹ thuật, LTE có thể hoạt
động trên dải tần rộng từ 1.4Mhz lên đến 20Mhz, cải thiện dung lượng và vùng phủ
của hệ thống, hỗ trợ truyền đa anten MIMO, giảm chi phí trên đường truyền và có
thể tích hợp với các hệ thống mạng di động đang tồn tại sẵn.
Trong khi đó, khái niệm về lập lịch cơ bản là quá trình ra quyết định bởi 1 bộ
lập lịch liên quan tới việc phân bổ tài nguyên trong cả miền thời gian và tần số đến
tất cả người dùng trong vùng phủ của 1 trạm cơ sở . Các thuật toán xoay vòng
Round Robin, thuật toán Chỉ thị chất lượng kênh truyền tốt nhất Best CQI và thuật
toán cân bằng Proportional Fair là những thuật toán lập lịch sẽ được phân tích và
mô phỏng trong luận văn này. Những thuật toán này được mô phỏng thông qua
chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator [3] và dựa vào kết quả để so
sánh sự ảnh hưởng đến thông lượng và sự cân bằng của hệ thống nhằm giúp người
đọc hiểu được ưu nhược điểm của từng thuật toán lập lịch trong hệ thống mạng
LTE.
Dê ̃ dàng nhâṇ thấy hiện nay, tần số và kênh truyền là những nguồn tài
nguyên có hạn và đang dần khan hiếm , vì vâỵ việc lập lịch nhằm phân bốhơpC̣
lýnguồn tài nguyên này đến người dùng là vô cùng q uan trongC̣ trong mangC̣ vô
tuyến, đặc biệt là mạng di động thế hệ mới LTE. Chính vì vậy, em lưạ choṇ luâṇ văn
của mình sẽ trình bày về vấn đề “ Đánh giá hiệu năng của một số thuật toán lập
lịch trên đƣờng downlink trong mạng LTE”.
Khảo sát một số luận văn đã được thực hiện trong và ngoài nước [1][2][4][5],
chúng ta sẽ có thể thấy đóng góp của luận văn này. Thay thế cho việc các nghiên
cứu trước đây chỉ mô phỏng và đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch trong
mô hình truyền SISO, băng thông hạn chế, người dùng không di động,

11

luận văn này sẽ đề cập đến việc sử dụng mô hình truyền đa anten MIMO, mở rộng
băng thông, tính toán đến cả sự di chuyển của người dùng và đặc biệt sử dụng môi
trường truyền sóng vô tuyến đặc trưng cho mạng LTE qua việc mô phỏng bằng
chương trình LTE System Level Simulator.
Luận văn của em gồm có 3 chương. Chương 1 trình bày tổng quan vềthế hệ
mạng di động LTE. Chương 2 sẽ đưa ra định nghĩa và cách làm việc của bộ lập lịch
cùng giải thuật của một số thuật toán lập lịch trong mạng LTE. Chương 3 đưa ra các
kịch bản cho chương trình mô phỏng và so sánh các kết quả từ đó đánh giá hiệu
năng của hệ thống khi sử dụng các thuật toán lập lịch trên. Cuối cùng sẽ có phần rút
ra kết luận và đưa ra những đề xuất trong tương lai cho luận văn đồng thời liệt kê
những nguồn và tài liệu tham khảo khi thực hiện luận văn.


12

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE
Trong vòng một vài năm gần đây, chúng ta thấy rằng công nghê dC̣ i động sử
dụng băng thông rộng ngày càng trở nên cần thiết khi mà người dùng di đôngC̣ ngày
càng trở nên quen thuộc với việc truy nhập băng thông rộng bất cứ nơi nào họ đến,
không chỉ là ở nhà hoặc nơi làm việc. Để đáp ứng nhu cầu đó, 3GPP đa c ̃ huẩn hóa
môṭcông nghê dC̣ i đôngC̣ thếhê m
C̣ ới cótên goịLTE với mucC̣ tiêu kếthừa vàthay thế cho
mangC̣ 2G và3G hiêṇ nay. LTE đươcC̣ hy vongC̣ se c ̃ ung cấp môṭchất lươngC̣ dicḥ vu C̣ tốt
hơn so với các mangC̣ từ trước đến nay . Mục đích khi 3GPP chuẩn hóa mạng LTE
đólàcung cấp môṭnền tảng cho sư C̣phát triển công nghê tC̣ ruy nhâpC̣ vô tuyến hướng đến
tốc độ truyền nhận dữ liệu mức cao , giảm trễ, tăng hiêụ suất phổtần , sử dungC̣ băng
thông linh hoat,C̣ tối ưu hóa hiêụ suất hê C̣thống khi người dùng di chuyển,…

LTE được xem như một giải pháp để sử dụng tốt hơn các ứng dịch và dịch vụ
tiêu tốn rất nhiều băng thông trên thiết bị di động của người dùng hiện nay. Sau đây
chúng ta sẽ điểm qua một số đặc trưng trong hệ thống LTE bao gồm các thông số
hiệu suất của hệ thống, phương thức đa truy nhập OFDMA trên đường downlink
cũng như mô hình truyền đa anten MIMO được sử dụng cho mạng di đôngC̣ LTE.
1.1. Một số đặc trƣng của mạng LTE
1.1.1. Tốc độ dữ liệu đỉnh
LTE hỗ trợ việc tốc độ dữ liệu đỉnh tăng đáng kể một cách nhanh chóng. Tốc độ
đỉnh được hỗ trợ sẽ tỷ lệ vào độ rộng băng tần. Chú ý rằng tốc độ này cũng có thể phụ
thuộc vào số lượng anten truyền và nhận tại UE. Với cấu hình cơ bản như sau:

-

Downlink: 2 antenna thu trên UE

-

Uplink: 1 antenna phát trên UE

Mạng LTE có thể hỗ trợ tốc độ đỉnh tức thời là 100Mb/s trên băng thông
20Mhz (5bps/Hz) cho đường downlink và 50 Mb/s trên băng thông 20Mhz
(2.5bps/Hz) cho đường uplink.


13

1.1.2. Độ trễ
Trễ đường truyền kênh người dùng phải ít hơn 5 ms một chiều và thời gian
chuyển tiếp kênh điều khiển phải ít hơn 50ms từ trạng thái ngủ sang trạng thái hoạt
động và ít hơn 100ms từ trạng thái chờ sang trạng thái hoạt động. Đối với mạng

LTE, độ trễ thời gian thực của tín hiệu thấp hơn nhiều so với mạng 2G, 3G. Điều
này cực kỳ quan trọng bởi vì hầu hết các ứng dụng có liên quan đến hình ảnh và
thoại đều dựa trên việc truyền dữ liệu dạng gói giữa mạng di động và thiết bị di
động đầu cuối với nhau. Ví dụ khi gọi quốc tế từ điện thoại di động (có thể thông
qua Skype hay thẻ gọi quốc tế - dạng Voice IP), nếu thời gian trễ của tín hiệu nhỏ thì
ta nghe đầu bên kia nói sớm và ngược lại, hoặc như với dịch vụ Streaming Video thì
thời gian hiển thị hình ảnh cũng nhanh hơn.
1.1.3. Thông lượng người dùng
Thông lượng người dùng cũng như hiệu suất phổ tần trong mạng LTE cao
hơn so với các thế hệ mạng di động trước đấy. Cụ thể,thông lượng trên đường
downlink cao gấp 3 - 4 lần so với tiêu chuẩn của HSDPA. Còn trên đường uplink,
thông lượng trung bình cũng cao gấp 2 đến 3 lần so với Realease 6 EUL. Chú ý rằng
giá trị này cũng tỷ lệ với độ rộng băng thông phổ tần.
1.1.4. Khả năng di động
Mạng LTE được tối ưu hóa đối với người dùng di chuyển tốc độ thấp từ 0
đến 15 km/h. Tuy nhiên kết nối vẫn có thể được duy trì đối với UE di chuyển tốc độ
cao lên tới 350 km/h thậm chí là 500km/h.
1.1.5. Sự linh hoạt của băng thông và phổ tần số
LTE có thể hoạt động ở một số dải tần như 1,25Mhz; 1,6Mhz; 2,5MHz; 5
Mhz; 10Mhz; 15Mhz; 20Mhz trên cả đường downlink lẫn uplink. Việc tăng tính
linh hoạt phổ tần như vậy sẽ giúp cho việc triển khai trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Ví dụ như đối với WCDMA yêu cầu độ rộng băng thông cốđinḥ là 5Mhz, dẫn tới
một số vấn đề về việc đưa vào áp dụng tại một số quốc gia nếu như băng thông này
đã được sử dụng bởi các mạng 2G GSM hoặc CDMA One. Đương nhiên băng
thông càng rộng thì tốc độ dữ liệu đỉnh càng cao. LTE hỗ trợ cả mô hình truyền


14

song công phân chia theo tần số FDD và truyền song công phân chia theo khe thời

gian TDD. Thêm vào đó, kết nối có thể diễn ra ở cả dải tần số đơn và kép. FDD sử
dụng dải tần kép bởi vì truyền dẫn 2 đường uplink và downlink phải sử dụng 2 tần
số khác nhau giữa 2 phía nếu không tín hiệu thu và phát sẽ nhiễu lẫn nhau trong khi
đó TDD có thể sử dụng dải tần đơn bởi vì đường uplink và downlink có thể chia sẻ
chung dải tần số.
1.1.6. Vùng bao phủ
Vùng bao phủ của cell phụ thuộc nhiều vào yếu tố địa lý và dải tần sử dụng,
có thể hỗ trợ kích thước tế bào thay đổi từ bán kính hàng chục mét (femtocell và
picocell) lên tới các macrocell bán kính hàng chục km. Tại các khu ngoại thành và
dùng dải tần số thấp, phạm vi cell tối ưu thường là 5km, tuy nhiên có thể hỗ trợ lên
tới 30km thậm chí 100km thì hiệu suất hoạt động của hệ thống vẫn có thể chấp nhận
được. Trong khu vực thành thị, dải tần số cao và mật độ user dày đặc, vùng bao phủ
của cell có thể chỉ là 1km hoặc thấp hơn.
1.2. Tổng quan về đƣờng downlink LTE
Sự truyền dẫn diễn ra từ trạm gốc đến thiết bị người dùng gọi là đường
downlink và ngược lại được gọi là đường uplink. Trong mạng LTE, trạm gốc BS
được gọi là eNodeB và trạm người dùng MS được gọi là UE. OFDMA được chọn
làm phương thức đa truy nhập trên đường downlink cho mạng LTE. Truyền nhận
trên đường uplink sử dụng giao thức SC FDMA. Tuy nhiên trong phạm vi luận văn
này chúng ta chỉ đề cập đến đường downlink trong mạng LTE.
1.2.1. Phương thức đa truy nhập OFDMA
OFDMA là một phương thức truy nhập dựa trên kỹ thuật điều chế đa sóng
mang ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đã được sử dụng rộng rãi
trong mạng không dây nhưng khá mới mẻ đối với thông tin di động. Kỹ thuật
OFDM chia chuỗi bit tín hiệu truyền đi thành các luồng nhỏ và đồng thời truyền qua
nhiều kênh sóng mang con song song khác nhau. Đối với LTE, những sóng mang
con OFDM thông thường chiếm một khoảng 15 kHz và được điều chế bằng những
bộ điều chế khác nhau như QPSK, 16QAM, 64QAM. Ưu điểm của việc sử

15

dụng phương thức truy nhập OFDMA trên đường downlink LTE đó chính là khả
năng cấp phát dung lượng trên cả miền thời gian(symbols) và không
gian(subcarriers), cho phép nhiều người dùng có thể được lập lịch trong cùng 1
khoảng thời gian.

Hình 1.1.OFDM và
OFDMA 1.2.2. Kiến trúc khung gói tin
Phần này sẽ làm rõ việc dữ liệu trong mạng LTE được tổ chức như thế nào.
Trên cả đường downlink lẫn uplink, dữ liệu được tổchức theo dangC̣ lưới .Trong miền
thời gian, dữ liệu được nhóm thành các frame có độ dài 10 milliseconds (ms). 1
frame lại được chia thành 10 subframe có độ dài 1ms, 1 subframe lại tiếp tục được
chia thành 2 timeslots (0.5ms). Miền tần số thì được chia thành các subcarrier chiếm
15kHz. Cấu trúc của khung dữ liệu trong mạng LTE được minh họa như hình 1.2.
Đơn vị dữ liệu nhỏ nhất trong mạng LTE đó là 1 symbol (time) x 1 subcarrier
(frequency) và được định nghĩa là 1 đơn vị tài nguyên Resource Element (RE). Một
số RE tập trung thành 1 khối tài nguyên Resource Block (RB) có độ lớn là 1
timeslot x 12 subcarriers. Số ký hiệu OFDM được điều chế trên 1 sóng mang con
phụ thuộc vào tiền tố lặp được sử dụng. Nếu sử dụng tiền tố lặp normal, 1 sóng
mang con chứa được 7 ký hiệu OFDM trong khi đó nếu chèn tiền tố lặp extended
vào các ký hiệu OFDM, 1 sóng mang con mang được 6 ký hiệu (xem hình 1.2).


16

Hình 1.2.Cấu trúc frame LTE [6]
Do sự linh hoạt phổ tần nên có tới 2 loại frame được định nghĩa trong LTE,
với loại 1 được sử dụng trong truyền song công phân chia theo tần số FDD trong khi
đó loại 2 được sử dụng trong truyền song công phân chia theo thời gian TDD.

Frame loại 1 chứa 20 timeslots với độ dài 1 slot là 0.5ms như đã nhắc tới ở phần
trước. Trong khi đó, frame loại 2 chứa 2 nửa frame, ít nhất 1 trong 2 sẽ chứa 3
trường của thông tin chuyển mạch bao gồm Downlink Pilot Time Slot (DwPTS),
Guard Period (GP) và Uplink Pilot Time Slot (UpPTS). Nếu như thời gian chuyển
mạch là 10ms, những thông tin này chỉ diễn ra trên 1 subframe duy nhất. Nếu thời
gian chuyển mạch là 5ms, thông tin chuyển mạch diễn ra trên cả 2 nửa frames, đầu
tiên trên subframe 1 sau đó lặp lại trên subframe 6. Subframe 0 và 5 và DwPTS luôn
luôn được dành cho đường downlink còn UpPTS và subframe liền ngay sau được
dành cho đường uplink. Các subframe khác có thể tùy thuộc được dành cho uplink
và downlink. Frame loại 2 được mô tả giống như trong hình 1.3.

Hình 1.3.Frame loại 2


17

Số lượng tài nguyên vô tuyến RBs sẽ thay đổi tỷ lệ với độ rộng của băng
thông. Theo logic, khi băng thông hê C̣thống tăng, tài nguyên vô tuyến tức số lượng
RBs cũng tăng (xem bảng 1.1).

Bảng 1.1. Tỷ lệ băng thông và RBs
Chú ý rằng ở đây, độ rộng sóng mang con subcarrier giữ như nhau trong tất
cả các cấu hình là 15kHz. Kết quả tốt nhất liên quan đến thông lượng có thể thu
được bởi băng thông có số lượng RBs là lớn nhất.
1.2.3. Kênh vật lý downlink LTE
Cũng giống như trong các mạng khác trong UMTS, tất cả các tín hiệu lớp
cao và lưu lượng dữ liệu người dùng đều được truyền thông qua các kênh thích hợp.
Trong mạng LTE, các kênh đường xuống được định nghĩa như trên hình 1.4.

Hình 1.4.Kênh đường xuống LTE

18

Chúng ta sẽ đi vào chi tiết vai trò và mô tả của các kênh lớp vật lý trên đường
downlink được sử dụng trong LTE.
Kênh quảng bá PBCH
Đây là kênh vật lý mang thông tin quảng bá về hệ thống và các thông số điều
khiển truy nhập đến các UE yêu cầu truy cập mạng, sử dụng điều chế Quadrature
Phase Shift Keying (QPSK). Hoạt động của kênh này thì độc lập với băng thông
thực tế của mạng.
Kênh chia sẻ PDSCH
Kênh PDSCH được sử dụng để vận chuyển dữ liệu người dùng và thiết kế
cho tốc độ dữ liệu mức cao. Các RBs kết hợp với kênh này được chia sẻ giữa các
users thông qua kỹ thuật OFDMA. Có rất nhiều lựa chọn để điều chế kênh này bao
gồm QPSK, 16 QAM và 64 QAM. Ghép kênh không gian được thực hiện riêng bởi
kênh PDSCH.
Kênh hoa tiêu dạng điều khiển PCFICH
Kênh hoa tiêu dạng điều khiển được sử dụng để thông báo đến UE có bao nhiêu
ký hiệu OFDM dùng để điều khiển trong kênh PDCCH trong 1 subframe. Số lượng
symbols được dùng trong phạm vi từ 1 đến 3. PCFICH sử dụng điều chế QPSK.

Kênh điều khiển đƣờng xuống PDCCH
PDCCH chính là kênh thông báo đến UE về việc phân bố lập lịch tài nguyên
trên cả uplink và downlink. Kênh này được dùng tối đa 3 ký hiệu OFDM đầu tiên
trong slot đầu tiên của 1 subframe và điều chế bằng QPSK. Giá trị trong PCFICH sẽ
chỉ ra số lượng ký hiệu được dùng trong PDCCH.
Kênh truyền multicast PMCH
Kênh này được sử dụng khi hệ thống muốn gửi thông tin đến một nhóm
người dùng cùng một lúc theo dạng multicast. Nó sử dụng điều chế QPSK, 16 QAM

hoặc 64 QAM.
Kênh hoa tiêu yêu cầu tƣ C̣đôngC̣ truyền laịPHICH
PHICH chứa bản tin ACKs hoặc Not ACK (NACKs) trên đường downlink
nếu trên đường uplink thông báo lên từ UE có yêu cầu truyền lại hoặc xác nhận bị


19

lỗi khi truyền dữ liệu . ViêcC̣ truyền nhâṇ trên kênh PHICH được thực hiện bằng kỹ
thuật H-ARQ.
Tín hiệu tham chiếu Downlink Reference Signals
Để thực hiện việc ước lượng kênh, một số ký hiệu tham chiếu (hay tín hiệu
tham chiếu) được nhúng vào trong blocks tài nguyên vật lý Physical resource block
PRB như trong hình 1.6. Các ký hiệu tham chiếu được chèn vào ký hiệu OFDM 1
và 5 trong mỗi slot trong trường hợp sử dụng tiền tố lặp ngắn short CP hoặc ký hiệu
OFDM 1 và 4 trong trường hợp sử dụng tiền tố lặp dài long CP. Như vậy sẽ có 4 ký
hiệu tham chiếu trong 1 PRB (xem hình 1.5).

Hình 1.5.Ký hiệu tham chiếu downlink LTE sử dụng tiền tố lặp normal
Chú ý rằng 1 block tài nguyên vật lý Physical Resource Block (PRB) là
thành phần nhỏ nhất được cấp phát bởi 1 trạm cơ sở eNodeB cho UE.
Quá trình truyền trên đƣờng downlink LTE
Bắt đầu quá trình xử lý của kênh vận chuyển, 1 mã sửa lỗi CRC được tính
toán và gắn vào từng block dữ liệu TB nhằm mục đích bên nhận có thể nhận ra lỗi
trong dữ liệu truyền tới. Sau khi chèn mã sửa lỗi CRC, khối dữ liệu gồm TB + CRC
được mã hóa nhanh với tốc độ mã hóa là 1/3. Nhiệm vụ của kỹ thuật Hybrid
Automatic Retransmission Request (H-ARQ) đó là quan tâm đến việc tryền lại nếu
xảy ra lỗi ở bên nhận. Việc truyền lại phải thay thế bằng những bit thông tin giống

20

hệt như bản tin ban đầu nhưng các bits mã hóa được sử dụng có thể khác so với bản
tin gốc. Sau đó thông tin truyền đi được điều chế sử dụng 1 trong các bộ điều chế
QPSK, 16QAM, 64QAM (hình 1.6). Ngoài ra ta cũng nên chú ý đến một thông số
thểhiêṇ hiêụ suất của hê C̣thống đólàtỷsố lỗi khối BLER. BLER đươcC̣ đinḥ nghiã là tỷ
số của số block truyền lỗi chia c ho tổng sốblock TB truyền đi. 1 block xem làbi C̣ lỗi
nghiã là1 TB màma s ̃ ửa lỗi CRC bi saị.

Hình 1.6.Qúa trình truyền trên đường downlink LTE
Khối ánh xạ anten ánh xạ các khối vận chuyển TB đến các antenna khác
nhau. LTE sử dụng tối đa đến 4 anten truyền. LTE hỗ trợ nhiều sơ đồ truyền nhận
anten gồm truyền đa dạng transmission diversity, truyền dạng chùm beamforming
và truyền theo kiểu ghép kênh không gian spatial multiplexing. Những mô hình


21

truyền nhận đa anten này sẽ được trình bày chi tiết hơn tại phần sau. Mục đích của
việc ánh xạ khối tài nguyên là ánh xạ dữ liệu truyền trên từng anten với blocks tài
nguyên được phân bố bởi bộ lập lịch (xem hình 1.7).

Hình 1.7. Tổ chức tài nguyên vô tuyến trên đường
downlink 1.3. Mô hình kênh truyền đa anten MIMO
Việc sử dụng công nghệ đa anten trên đường downlink LTE, cụ thể là công
nghệ MIMO đã tạo ra được những cải thiện đáng kể về hiệu suất của hệ thống. Cấu
hình anten cơ bản cho MIMO đó là 2 anten phát tại trạm gốc và 2 anten thu tại trạm
người dùng. Sơ đồ cho downlink MIMO ở cấp cao hơn và đa dạng antenna (4TX và
2 or 4 RX antennas) cũng được hỗ trợ. Mục đích của MIMO đó là thu được độ lợi
về phân tập không gian và ghép kênh không gian.

Hình 1.8.Mô hình truyền đa anten MIMO


22

Ghép kênh không gian cho phép tăng dung lượng bằng việc truyền các luồng
dữ liệu khác nhau song song từ các antenna khác nhau. Phân tập không gian có thể
được dùng để tăng độ tin cậy của hệ thống trong điều kiện kênh fading bằng việc
truyền nhiều bản sao của tín hiệu truyền từ nhiều anten khác nhau. Vì vậy, MIMO
có thể tăng được dung lượng và tăng khả năng truyền tin cậy của cell. Những mô
hình MIMO cơ bản được chấp nhận cho đường downlink được minh họa như hình
dưới. Những mô hình này được chấp nhận dựa trên địa hình thực tế (vùng ngoại ô
và đô thị) và nhu cầu dung lượng thưcC̣ tếcủa người dùng.

Hình 1.9.Các mô hình MIMO trên đường downlink LTE


23

Chương 2
THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG MẠNG LTE
Chương này ngoài việc giải thích định nghĩa của bộ lập lịch sẽ đưa ra chi tiết
những thuật toán lập lịch cho đường downlink sử dụng trong mạng LTE. Nói chung,
lập lịch về cơ bản là quá trình đưa ra quyết định bởi 1 bộ lập lịch liên quan đến việc
phân bố những nguồn tài nguyên (thời gian, tần số) giữa các người dùng trong vùng
phủ của 1 eNodeB và trong từng khoảng thời gian xác định. Trong mạng LTE, việc
lập lịch được thực hiện bởi eNodeB bằng một bộ lập lịch động. Lập lịch gói tin là 1
trong những chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến trong mangC̣ LTE. Hiệu suất của
hệ thống và trải nghiệm của cá nhân người dùng cuối sẽ phụ thuộc vào điều kiện lan

truyền, các kết quả đo phản hồi từ thiết bị di động và thuật toán lập lịch của
eNodeB. Và cũng giống như trong HSPA, hay WiMax, thuật toán lập lịch chưa được
xác định theo 1 tiêu chuẩn cụ thể nào mà nó dựa vào từng nhà cung cấp eNodeB áp
dụng khác nhau.
Như đã nhắc tới ở phần trước, LTE định nghĩa độ dài 1 subframe = 1ms là
khoảng thời gian truyền dẫn TTI. Có nghĩa là sau từng 1ms việc phân bố tài nguyên
có thể thay đổi dựa trên nhiều yếu tố bao gồm chỉ số chất lượng kênh CQI, yêu cầu
về QoS, trạng thái buffer, nhiễu,… Dựa vào những yếu tố này, nếu chất lượng kênh
truyền càng tốt thì sẽ có thể truyền tốc độ càng cao, tuy nhiên để quyết định người
sử dụng nào được ưu tiên truyền dựa trên nhiều tiêu chí cụ thể như:


Ưu tiên người dùng có kênh truyền tốt nhất : đây chính là lý do chính cho

lập lịch để làm tăng tốc độ.


Tuy nhiên sẽ có người có kênh truyền kém hơn, vẫn cần phải duy trì một

tốc độ nhất định, không để dừng truyền hoàn toàn gây đứt kết nối.


Ngay cả với một người dùng đứng yên, cách eNodeB một khoảng cố định

thì do hiện tượng fading (thăng giáng tín hiệu 1 cách ngẫu nhiêu), bộ lập lịch cũng
ưu tiên truyền khi tín hiệu "thăng" và giảm khi tín hiệu "giáng", lợi dụng hiện tượng
fading (vốn được coi là luôn xấu) làm tăng tốc độ truyền.