(Luận văn thạc sĩ) 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
===============

CAO THIỆN THẮNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ
THUẬT TOÁN LẬP LICH
̣ TRÊN ĐƢỜNG
DOWNLINK TRONG MẠNG LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
===============

CAO THIỆN THẮNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ
THUẬT TOÁN LẬP LICH
̣ TRÊN ĐƢỜNG
DOWNLINK TRONG MẠNG LTE

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TƢ̉ - VIỄN THÔNG

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN NAM HOÀ NG

HÀ NỘI - 2013


1

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan những gì tơi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống khơng
sao chép , những kết quả đo đạc mô phỏng có trong luận văn chưa từng đươ ̣c công
bố từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức. Các thơng tin sử dụng trong luận văn
có ng̀n 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 THIỆN THẮNG


2

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian ho ̣c tâ ̣p, nghiên cứu và hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn, em đã nhâ ̣n đươ ̣c
sự giúp đỡ rấ t tâ ̣n tình và chu đáo của các thầ y cô giáo trong khoa Điê ̣n tử

– Viễn

thông Trường Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣, Đa ̣i ho ̣c quố c gia Hà Nô ̣i.
Đầu tiên em xin gửi l ời cảm ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Nam Hoàng , người
đã tâ ̣n tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luâ ̣n văn tố t nghiê ̣p tha ̣c sỹ trong
suố t thời gian vừa qua.
Em cũng xin cảm ơn các quý thầ y cô , các anh chị và các bạn tại khoa Điện tử
- Viễn thông, Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣ đã có những góp ý kịp thời và bở ích , giúp đỡ em
trong suố t quá triǹ h nghiên cứu luâ ̣n văn này .
Ngoài ra , em cũng xin bày tỏ lòng biế t ơn sâu sắ c đế n gia đình

, bạn bè ,

những người đã luôn ủng hô ̣ em trong suố t quá trin
̀ h ho ̣c tâ ̣p và hoàn thà nh chương
trình đào tạo Thạc sỹ tại khoa Điện tử – Viễn thông, Đa ̣i ho ̣c Công nghê ̣.
Mă ̣c dù em đã nỗ lực và cố gắ ng hoàn thiê ̣n luâ ̣n văn bằ ng tấ t cả nhiê ̣t tin
̀ h và
năng lực của miǹ h , tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiế u sót , rấ t mong nhâ ̣n
đươ ̣c những đóng góp quý báu của quý thầ y cô và các ba ̣n .
Em xin chân thành cảm ơn.

Hà Nội, ngày 02 tháng 12 năm 2013
HỌC VIÊN

CAO THIỆN THẮNG


3

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TƢ̀ VIẾT TẮT

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 MỤC KÝ HIỆU VÀ TƢ̀ VIẾT TẮT ................................................. 3
MỤC LỤC ........................................................................................................ 5
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ 7
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... 8
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................ 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. Mơ 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: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ............................................................ 32
3.1. Chương trình mơ 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 đở i vận tố c của người dùng ....................................................... 44
3.2.3.Thay đổ i mô hình truyề n MIMO ......................................................... 45
3.2.4.Thay đổ i số lượng người dùng UEs/cell ............................................ 47
3.2.5.Thay đổi băng thông hệ thống ........................................................... 50
KẾT LUẬN .................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 53


7

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tỷ lệ băng thông và RBs ..........................................................................17
Bảng 2.1.Chỉ số CQI .................................................................................................25
Bảng 3.1. Cấu hình mơ phỏng để so sánh hiệu năng giữa các thuật toán .................37
Bảng 3.2. So sánh hiệu năng của các thuật toán lập lịch ..........................................41
Bảng 3.3. So sánh hiệu năng khi thay đổi vận tốc người dùng với PF scheduler .....45
Bảng 3.4. Các mơ hình kênh truyền MIMO .............................................................45
Bảng 3.5. So sánh hiệu năng khi thay đổi số UEs/cell với PF scheduler .................49
Bảng 3.6. So sánh hiệu năng khi thay đổi băng thông với PF scheduler ..................51


8

DANH MỤC HÌ NH ẢNH

Hình 1.1. OFDM và OFDMA ....................................................................... 15
Hình 1.2. Cấu trúc frame LTE [6] ................................................................. 16
Hình 1.3. Frame loại 2................................................................................... 16
Hình 1.4. Kênh đường xuống LTE ............................................................... 17
Hình 1.5. Ký hiệu tham chiếu downlink LTE sử dụng tiền tố lặp normal ... 19
Hình 1.6. Qúa trình truyền trên đường downlink LTE ................................. 20
Hình 1.7. Tở chức tài ngun vơ tuyến trên đường downlink ...................... 21
Hình 1.8. Mơ hình truyề n đa anten MIMO ................................................... 21
Hình 1.9. Các mơ hình MIMO trên đường downlink LTE ........................... 22
Hình 2.1. Đáp ứng kênh truyền LA .............................................................. 24
Hình 2.2. Ánh xạ giữa giá trị SNR và CQI ................................................... 25
Hình 2.3. Những chức năng lớp 2 cho việc lập lịch gói tin động, đáp ứng
kênh truyền và quản lý HARQ...................................................... 26
Hình 2.4. Thuật toán Round Robin ............................................................... 27

Hình 2.5. Sơ đờ thuật toán Round Robin ...................................................... 28
Hình 2.6. Thuật toán Best CQI ..................................................................... 29
Hình 2.7. Sơ đờ thuật toán Best CQI ............................................................ 30
Hình 2.8. Sơ đờ thuật toán Proportional Fair ................................................ 31
Hình 3.1. Ánh xạ CQI – BLER ta ̣i điể m BLER = 10% ................................ 37
Hình 3.2. Ánh xạ CQI – SNR ta ̣i điể m BLER = 10% .................................. 38
Hình 3.3. Phân bố UEs và eNodeBs khi lập lịch bằng thuật toán RR .......... 38
Hình 3.4. Thơng lượng người dùng khi lập lịch bằng thuật toán RR ........... 39
Hình 3.5. Thông lượng người dùng khi lập lịch bằng thuật toán Best CQI . 40
Hình 3.6. Thơng lượng người dùng khi lập lịch bằng thuật toán PF ............ 41
Hình 3.7. Hàm phân phối tích lũy của thơng lượng người dùng .................. 42
Hình 3.8. Tớ c đơ ̣ dữ liê ̣u ta ̣i đỉnh, tại biên và trung bình của người dùng.... 42


9

Hình 3.9. Thơng lượng người dùng với UE

_speed = 0.1km/h, PF

scheduler ....................................................................................... 44
Hình 3.10. Thơng lượng người dùng với UE _speed = 100km/h, PF
scheduler ....................................................................................... 44
Hình 3.11. Hàm phân phối tích lũy của thơng lượng người dùng .................. 46
Hình 3.12. Phụ thuộc giữa SINR và UE throughput....................................... 46
Hình 3.13.Phân bố UEs và cells khi có 5 UEs/cells, PF Scheduler ................ 47
Hình 3.14. Phân bố UEs và cells khi có 50UEs/cell, PF Scheduler ............... 48
Hình 3.15. Thơng lượng trung bình với 5 UEs/cel, PF Scheduler .................. 48
Hình 3.16. Thơng lượng trung bình với 50UEs/cell, PF Scheduler................ 49
Hình 3.17. Thơng lượng người dùng với bandwidth

= 1.4Mhz, PF

scheduler ....................................................................................... 50
Hình 3.18. Thơng lượng người dùng với bandwidth

= 10Mhz, PF

scheduler ....................................................................................... 50


10

LỜI MỞ ĐẦU
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 du ̣ng 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 mơ phỏng thơng qua
chương trình mơ phỏng LTE System Level Simulator [3] và dựa vào kết quả để so
sánh sự ảnh hưởng đến thông lượng và sự cân bằng của hệ thống nhằm giúp người

đọc hiểu được ưu nhược điểm của từng thuật toán lập lịch trong hệ thống mạng
LTE.
Dễ dàng nhâ ̣n thấ y hiện nay, tần số và kênh truyền là những nguồn tài nguyên
có hạn và đang dần khan hiếm , vì vâ ̣y việc lập lịch nhằ m phân bố hơ ̣p lý nguồ n tài
nguyên này đến người dùng là vô cùng q uan tro ̣ng trong ma ̣ng vô tuyế n , đặc biệt là
mạng di động thế hệ mới LTE. Chính vì vậy, em lựa cho ̣n luâ ̣n 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 thơng hạn chế, người dùng khơng di động,


11

luận văn này sẽ đề cập đến việc sử dụng mơ hình trù n đa anten MIMO, mở rộng
băng thơng, 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 gờm có 3 chương. Chương 1 trình bày tởng quan về thế hệ
mạng di động LTE. Chương 2 sẽ đưa ra định nghĩa và cách làm việc của bộ lập lịch
cùng giải thuật của một số thuật toán lập lịch trong mạng LTE. Chương 3 đưa ra các
kịch bản cho chương trình mô phỏng và so sánh các kết quả từ đó đánh giá hiệu
năng của hệ thống khi sử dụng các thuật toán lập lịch trên. Cuối cùng sẽ có phần rút
ra kết luận và đưa ra những đề xuất trong tương lai cho luận văn đồng thời liệt kê
những nguồn và tài liệu tham khảo khi thực hiện luận văn.


12

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE
Trong vòng một vài năm gần đây, chúng ta thấy rằng công nghê ̣ di động sử
dụng băng thông rộng ngày càng trở nên cầ n thiế t khi mà người dùng di đô ̣ng 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 đã chuẩ n hóa
mô ̣t công nghê ̣ di đô ̣ng thế hê ̣ mới có tên go ̣i LTE với mu ̣c tiêu kế thừa và thay thế
cho ma ̣ng 2G và 3G hiê ̣n nay. LTE đươ ̣c hy vo ̣ng sẽ cung cấ p mô ̣t chấ t lươ ̣ng dich
̣ vu ̣
tố t hơn so với các ma ̣ng từ trước đế n nay . Mục đích khi 3GPP chuẩ n hóa mạng LTE
đó là cung cấ p mô ̣t nề n tảng cho sự phát triể n công nghê ̣ truy nhâ ̣p vô tuyế n hướng
đến tốc độ truyền nhận dữ liệu mức cao , giảm trễ, tăng hiê ̣u suấ t phổ tầ n , sử du ̣ng
băng thông linh hoa ̣t, tố i ưu hóa hiê ̣u suấ t hê ̣ thố ng khi người dùng di chuyể n,…
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 mơ hình truyền đa anten MIMO được sử dụng cho mạng di đô ̣ng 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. Đợ 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,
thơng 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 phở tần như vậy sẽ giúp cho việc triển khai trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Ví dụ như đối với WCDMA yêu cầu độ rộng băng thông cố đinh
̣ 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
thơng càng rộng thì tốc độ dữ liệu đỉnh càng cao. LTE hỗ trợ cả mơ hình truyền


14

song công phân chia theo tần số FDD và truyề n 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 khơng 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 đởi 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 l̀ng 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 tổ chức theo da ̣ng 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 phở 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
ln ln được dành cho đường downlink cịn 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 ̣ thố ng 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 truyề n 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 xuố ng PDCCH

PDCCH chính là kênh thơng 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 truyề n 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 cầ u tƣ ̣ đô ̣ng truyề n la ̣i PHICH
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 . Viê ̣c truyề n nhâ ̣n 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
thể hiê ̣n hiê ̣u suấ t của hê ̣ thố ng đó là tỷ số lỗi khố i BLER. BLER đươ ̣c đinh
̣ nghiã là
tỷ số của số block truyền lỗi chia c ho tổ ng số block TB truyề n đi. 1 block xem là bi ̣
lỗi nghiã là 1 TB mà mã sửa lỗi CRC bi ̣sai.

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 mơ 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 vơ tuyến trên đường downlink
1.3. Mơ 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 khơng gian.

Hình 1.8.Mơ hình trù n 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 mơ
hình MIMO cơ bản được chấp nhận cho đường downlink được minh họa như hình
dưới. Những mơ hình này được chấp nhận dựa trên địa hình thực tế (vùng ngoại ơ
và đơ thị) và nhu cầ u dung lượng thực tế của người dùng.

Hình 1.9.Các mơ 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 ma ̣ng 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, khơng 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.