Đề tài Phân bổ tài nguyên thích ứng và lập lịch động cho hệ thống vô tuyến thế hệ sau

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÀ LẬP LỊCH TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1. MỞ ĐẦU Với mục đích là có được cái nhìn tổng quan về phân bổ tài nguyên và lập lịch trong thông tin vô tuyến, chương này ta tổ chức như sau: phần 1.2. Tài nguyên và thích ứng; phần 1.3. phân bổ nguyên và lập lịch trong các hệ thống thông tin vô tuyến. 1.2. TÀI NGUYÊN VÀ THÍCH ỨNG Để sử dụng, khai thác, tận dụng hiệu quả tài nguyên vốn có của môi trường truyền thông vô tuyến thì: Trước hết là, khám phá tài nguyên, thuộc tính của môi trường truyền thông vô tuyến, chúng được xét trong các miền thời gian, tần số, mã và không gian và sự kết hợp giữa chúng. Kết quả là tập các thông số đặc trưng, các tính chất của chúng trong các miền xét tương ứng. Chẳng hạn như: Trong miền mã, đó là các thuộc tính trực giao... của mã, các thông số quyết định đến chất lượng và dung lượng của hệ thống. Trong miền thời gian, đó là các thuộc tính phađinh nhanh, chậm các thông số đặc trưng cũng như các thông số quyết định lên chất lượng và dung lượng của hệ thống. Ví dụ: Thông số thời gian nhất quán của kênh, từ đó xác định tính chất phađinh nhanh, chậm dựa trên mối quan hệ giữa thông số này với thông số thời gian bit Tb của tín hiệu mang tin... Trong miền tần số, đó là các thuộc tính phađinh nhanh chọn lọc tần số và không chọn lọc tần số, cũng như các thông số quyết định lên chất lượng và dung lượng của hệ thống. Trong miền không gian, cần phải nói đến tính chất phân tập không gian, tính tương quan và không tương quan giữa các kênh trong môi trường, cũng như các thông số đặc trưng quyết định lên chất lượng và dung lượng của hệ thống Sau đó là, sử dụng tài nguyên đó vào mục đích truyền thông. Muốn vậy, cần phải chuyển tín hiệu mang tin ban đầu vào dạng phù hợp với môi trường truyền thông, hay nói cách khác tìm các giải pháp, công nghệ để biến đối tín hiệu ban đầu vào dạng có các thông số đặc trưng phù hợp với các thông số đặc trưng của môi trường truyền thông. Ví dụ: Để sử dụng cáp quang vào mục đích truyền thông, phải biến đối tín hiệu ban đầu (tín hiệu điện) vào dạng tín hiệu ánh sáng trước khi đưa lên sợi quang. Cuối cùng là, trên cơ sở tập các thông số đặc trưng, các tính chất, các nhược điểm hạn chế của môi trường truyền thông, nghiên cứu đưa ra các công nghệ, giải pháp kỹ thuật để sử dụng hiệu quả tài nguyên cũng như việc khắc phục các nhược điểm của môi trường truyền thông. Các cơ chế, các công nghệ thích ứng, phân bổ, cấp phát tài nguyên động, cơ chế điều khiển luồng, công nghệ IP....là những minh họa điển hình cho vấn đề này. Dựa vào các đặc tính kênh trong các miền được xét, người ta đưa ra một số giải pháp công nghệ điển hình nhất như: Điều chế QAM thích ứng (AQAM); Mã hóa kênh thích ứng; Cân bằng kênh thích ứng; CDMA thích ứng; Chia sẽ mã động; Anten thích ứng; MIMO thích ứng; Phân bổ tài nguyên thích ứng trong các hệ thống OFDM (trên cơ sở các đặc tính kênh trong miền tần số, phân chia tài nguyên phổ tần của môi trường truyền và đưa ra các giải thuật cấp phát kênh con và phân bổ công suất cho các người dùng); Tạo búp sóng; Ghép kênh không gian....Ở một chừng mực nhất định, ta có thể tổng quát hóa ý tưởng xây dựng giải thuật thích ứng cho các công nghệ thích ứng bởi hình 1.1 dưới đây. Hình 1.1. Minh họa ý tưởng về quá trình xây dựng kỹ thuật thích ứng 1.3. PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÀ LẬP LỊCH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.3.1. Phân bổ tài nguyên trong thông tin vô tuyến. Trong hệ thống vô tuyến đường xuống, trạm gốc trao đổi thông tin với nhiều người dùng thông qua nguồn tài nguyên hữu hạn (công suất phát tổng và độ rộng băng tần khả dụng). Cách mà trạm gốc này cấp phát tài nguyên giữa nhiều người dùng là rất quan trọng đối với hiệu năng hệ thống. Những hệ thống vô tuyến thế hệ đầu thực hiện cấp phát tài nguyên tĩnh, trong đó trạm gốc phục vụ một người dùng trong một khe thời gian hay một băng tần đã được ấn định mà không phụ thuộc các kênh người dùng. Tuy nhiên, kênh vô tuyến thay đổi theo thời gian và lựa chọn tần số. Các kênh được chiếm dụng bởi các người dùng khác nhau và có tính độc lập cao do vị trí khác nhau. Trạm gốc thường cấp phát nguồn tài nguyên hữu hạn giữa các người dùng bằng cách xem xét các điều kiện kênh của người dùng và làm tăng hiệu năng của hệ thống. Hơn nữa, việc cấp phát tài nguyên thích ứng trong hệ thống đa kênh đường xuống là thách thức hơn vì mức độ chiếm dụng các nguồn tài nguyên một cách tùy ý. Nhiều kênh có thể được tạo ra trong miền tần số bằng cách dùng nhiều tần số sóng mang, điều chế đa sóng mang (MCM), hay trong miền không gian bằng cách dùng nhiều anten thu/phát tạo ra hệ thống nhiều đầu vào-nhiều đầu ra (MIMO). MCM và MIMO là hai kỹ thuật đã được chấp nhận trong nhiều tiêu chuẩn khác nhau. Gần đây cấp phát tài nguyên thích ứng trong hệ thống vô tuyến đa kênh đa người dùng đã tạo ra sự chú ý đáng kể, thu hút các nhà nghiên cứu cũng như nhà công nghiệp viễn thông. Điều chế đa sóng mang Điều chế đa sóng mang tận dụng hiệu quả băng tần để truyền dẫn tốc độ cao trong các hệ thống thông tin vô tuyến và hữu tuyến. Vì yêu cầu về tốc độ dữ liệu ngày càng cao, nên độ rộng băng tần truyền dẫn tăng đáng kể. Vì vậy, kênh vô tuyến thể hiện đặc tính đa đường trong miền thời gian hay tính cách chọn lọc trong miền tần số, nghĩa là khi tốc độ dữ liệu truyền trên kênh vô tuyến tăng lên thì kênh vô tuyến đó trở nên có tính chất chọn lọc tần số hoặc đa đường. Việc truyền dẫn thành công qua kênh lựa chọn tần số là phức tạp hơn so với kênh phẳng băng hẹp, bởi lẽ nhiễu giữa các ký hiệu ISI làm giảm hiệu năng hệ thống. Các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến như: kỹ thuật cân bằng cũng đã được đề xuất để đối phó sự phân tán kênh. Điều chế đa sóng mang thực hiện chia toàn bộ băng tần thành nhiều kênh con song song (đồng thời). Một khi số lượng kênh con đủ lớn, thì đáp ứng tần số trong mỗi kênh con gần như là phẳng, điều này được thấy ở hình 1.2. Nhờ đó, việc thực hiện cân bằng cho mỗi kênh con dễ dàng hơn nhiều. Hình 1.2 Điều chế đa sóng mang Sơ đồ khối máy thu phát OFDM được cho ở hình 1.3. Chuỗi bit thông tin đầu vào nối tiếp được chuyển đổi thành các luồng song song. Sau khi điều chế biên độ cầu phương (QAM), các ký hiệu QAM được đưa vào khối biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT). Trước khi biến đổi song song-nối tiếp để tạo thành một ký hiệu OFDM trong miền thời gian, tiền tố tuần hoàn CP được chèn bằng cách sao chép lại mẫu IFFT cuối đưa vào đầu ký hiệu OFDM như một tiền tố tuần hoàn (CP). Một khi chiều dài CP lớn hơn phân tán kênh, ta chỉ cần thực hiện cân bằng một nhánh trong miền tần số trên mỗi kênh con để khôi phục tín hiệu phát. Các khối chức năng ở máy thu hoạt động ngược lại với các khối chức năng ở máy phát. Hình 1.3 Sơ đồ khối máy phát thu OFDM Do OFDM tạo ra nhiều kênh con đồng thời, nên kỹ thuật đa truy nhập dựa trên OFDM, được gọi là OFDM đa người dùng, hay còn gọi là đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Trong hệ thống OFDM đa người dùng, nhiều người dùng có thể được lập lịch để truyền dẫn trên các kênh con khác nhau bên trong một ký hiệu OFDM. Hơn nữa, do các vị trí khác nhau của các người dùng và những thống kê về pha đinh kênh độc lập, nên các kênh con được cấp phát cho người dùng có độ lợi kênh con cao. Bằng cách khai thác tính ưu việt của phân tập đa người dùng mà hiệu năng thông lượng của hệ thống dùng phân bổ (cấp phát) tài nguyên thích ứng theo điều kiện kênh là tốt hơn so với hệ thống phân bổ tài nguyên cố định (như TDMA, FDMA). Hệ thống OFDM đa người dùng điển hình được cho ở Hình 1.4. Hình 1.4 Sơ đồ khối OFDM đa người dùng Việc cấp phát tài nguyên thích ứng trong các hệ thống OFDM đa người dùng thường được công thức hóa thành bài toán tối ưu, chẳng hạn như bài toán giảm thiểu công suất phát tổng mà vẫn đảm bảo yêu cầu tốc độ người sử dụng, hay bài toán tối đa dung lượng tổng trong điều kiện giới hạn về công suất phát. Những bài toán tối ưu này thường rất khó giải quyết, vì vậy các thuật toán đơn giản đã được đề xuất. Mới đây, thuật toán quản lý phổ tối ưu (OSM) đã được đề xuất cho hệ thống đường dây thuê bao số (DSL). DSL cũng dùng loại điều chế đa sóng mang được đặt tên là đa âm tần rời rạc (DMT), nó vốn là một phiên bản hữu tuyến của OFDM. Quản lý phổ tần tối ưu nhằm tối đa dung lượng tổng được đánh trọng số bằng cách phân bổ tối ưu kênh con và công suất giữa các người dùng. Mặc dù có rất nhiều công trình cấp phát tài nguyên thích ứng trong các hệ thống OFDM đa người dùng, nhưng vẫn thiếu một nguyên tắc nền tảng tối ưu chung để cân bằng thông lượng tổng và tính công bằng giữa các người dùng (ở dạng tốc độ dữ liệu). Ví dụ, mặc dù thông lượng tổng có thể được tối đa, nhưng các thuật toán vẫn cấp phát hầu hết các tài nguyên cho một người dùng trong khi những người dùng còn lại chiếm một phần nhỏ tài nguyên hệ thống. Với dung lượng tổng, vấn đề công bằng được giải quyết bằng cách thay đổi các trọng số trong các hàm mục tiêu, nhưng khó thiết kế các trọng số sao cho kiểm soát được tính công bằng. Thuật toán cấp phát kênh đa người dùng công bằng dựa trên các giải pháp thương lượng Nash đã được đề xuất. Tuy nhiên, các tốc độ dữ liệu người dùng không được đảm bảo để cân xứng giữa các người dùng với nhau. Trên cơ sở tìm hiểu, tổng hợp trong thời gian làm đề tài, đề tài lựa chọn và trình bày thuật toán tối ưu để tối đa thông lượng tổng trong khi vẫn duy trì khá chính xác các tốc độ dữ liệu người dùng cân xứng. Do vậy, tính công bằng giữa những người dùng có thể dễ dàng được xác định và thiết kế bởi một tập các thông số. Giải thuật này được coi là khả thi nhất và cũng tổng quát hơn. Các hệ thống đa anten Các hệ thống truyền thông đa anten nhiều đầu vào-nhiều đầu ra (MIMO) đã được quan tâm nghiên cứu rất nhiều trong thập nhiên gần đây. Bằng cách trang bị nhiều anten phát/thu, hệ thống MIMO khai thác hiệu quả đặc tính không gian để cải thiện độ tin cậy truyền dẫn và/hoặc thông lượng của hệ thống. HÌnh 1.5 Hệ thống MIMO điểm-điểm Minh họa hệ thống MIMO băng hẹp điểm-điểm được cho ở hình 1.5. Trái ngược với các hệ thống một anten thông thường, kênh vô tuyến nhiều đầu vào-nhiều đầu ra MIMO giữa cặp điểm truyền thông được biểu diễn bằng một ma trận. Trong môi trường giàu tán xạ không có đường truyền thẳng LOS, mỗi phần tử trong ma trận kênh MIMO được mô hình hóa như là một biến ngẫu nhiên Gaussian phức, nó là kết quả từ lý thuyết giới hạn trung tâm. Mô hình kênh MIMO này (kênh pha đinh MIMO Rayleigh) được chấp nhận rộng rãi trong các tài liệu nghiên cứu khi ước tính hiệu năng hệ thống. Do bản chất thay đổi theo thời gian của kênh vô tuyến, nên tín hiệu thu rất xấu khi kênh bị pha đinh sâu. Cách thông thường để đối phó với pha đinh kênh là triển khai phân tập trong tuyến truyền thông. Ý tưởng của việc sử dụng nhiều anten thu để khai thác phân tập không gian đã được đề xuất cách đây vài thập kỷ. Bằng cách kết hợp tối ưu tín hiệu thu từ nhiều anten dẫn đến chất lượng truyền dẫn được cải thiện đáng kể. Thậm chí các hệ thống nhiều anten có thể triệt nhiễu đồng kênh. Về sau, các nhà nghiên cứu đã nhận thấy rằng, nếu máy phát và máy thu được trang bị nhiều anten thì có thể thiết lập được nhiều kênh truyền đồng thời (song song) để làm tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Người ta đã chứng minh rằng, đối với các kênh pha đinh Rayleigh điểm-điểm, dung lượng kênh MIMO tăng tuyến tính theo số anten thu/phát khi SNR lớn. Kết quả về mặt lý thuyết đã chỉ ra tiềm năng của các hệ thống MIMO trong việc tăng cường hiệu quả sử dụng phổ tần. Bằng những kết quả thực nghiệm, các nhà nghiên cứu ở phòng thí nghiệm Bell đã chỉ ra rằng kiến trúc V-BLAST có thể cung cấp hiệu quả phổ tần là 10 bit/giây/Hz. Tóm lại, kỹ thuật MIMO tạo ra các cơ hội phân tập và ghép kênh không gian để cải thiện độ tin cậy truyền thông và hiệu quả sử dụng phổ tần. Nghiên cứu lý thuyết về sự dung hoà giữa phân tập và ghép kênh không gian trong hệ thống MIMO đã được trình bầy trong nhiều công trình, và thuật toán thực tế để chuyển mạch chế độ giữa việc ghép kênh và phân tập không gian đã được đề xuất. Hình 1.6 Hệ thống MIMO đa người dùng đường xuống Trong hệ thống MIMO đa người dùng đường xuống (hình 1.6), trạm gốc thông tin đồng thời đến nhiều người dùng. Cả trạm gốc và người dùng đều được trang bị nhiều anten. Trạm gốc cần phải phân bổ tài nguyên công suất phát hữa hạn giữa các người dùng sao cho có thể đạt được hàm mục tiêu (dung lượng tổng). Từ quan điểm lý thuyết thông tin, hệ thống MIMO đa người dùng đường xuống được gọi là kênh quảng bá MIMO. Mặc dù các thông lượng của hệ thống MIMO điểm-điểm đã được tường minh, nhưng gần đây dung lượng kênh quảng bá Gausơ MIMO đa người dùng mới được khám phá. Phần dung lượng kênh quảng bá MIMO (MIMO BC) này rất khó đạt được. Ta ước đoán phần dung lượng MIMO BC có thể đạt được bằng mã DPC. Một vài nghiên cứu đã thiết lập mối quan hệ đối ngẫu giữa dung lượng phần MIMO BC và phần dung lượng kênh đa truy nhập MIMO (MIMO MAC). Dung lượng tổng được định nghĩa là thu thập tối đa các tốc độ dữ liệu của mọi người dùng, có thể đạt được bởi các thuật toán water-filling lặp. Mặc dù thông lượng tổng của kênh MIMO BC Gausơ có thể đạt được bằng mã DPC, nhưng sơ đồ mã hoá thực tế để tiến đến dung lượng tổng mã DPC vẫn không khả dụng. Gần đây, các nỗ lực đáng kể đã được thực hiện trong việc thiết kế các thuật toán khả thi để đạt được dung lượng tổng mã DPC. Tuy nhiên, thuật toán trình đã được đề xuất này quá phức tạp để thực hiện một cách kinh tế. Kỹ thuật tiền mã hoá tuyến tính khác cho các hệ thống MIMO đa người dùng đường xuống, thường được gọi là chéo hoá khối (BD) được xét ở chương 4. Với việc chéo hóa khối BD, dữ liệu của mỗi người dùng được nhân với một ma trận tiền mã hoá tuyến tính trước khi truyền dẫn. Ma trận tiền mã hóa cho mỗi người dùng thuộc về không gian rỗng của tất cả các kênh người sử dụng khác. Do đó, nếu ở máy phát biết trước được ma trận kênh của tất cả các người sử dụng một cách chính xác, sẽ không xẩy ra nhiễu ở phía thu, dẫn đến cấu trúc máy thu sẽ đơn giản. Vì vậy, BD là phương pháp tiền mã hoá khả thi tiềm năng cho kênh quảng bá MIMO. 1.3.2. Lập lịch truyền dẫn trong thông tin vô tuyến. Hình 1.7 Đường xuống Hình 1.8 minh họa nguyên lý truyền các gói kiểu khác nhau (thoại, video, dữ liệu) được xếp hàng tại bộ đệm của trạm gốc. Những gói này đợi để được truyền tới MS mà có lớp dịch vụ khác nhau. Liên kết truyền thông được sử dụng cho truyền dẫn gói từ BS tới MS được hiểu là đường xuống. Mỗi tế bào thường được gán một băng tần. Để tăng hiệu quả sử dụng băng tần, BS cần sử dụng kỹ thuật ghép kênh như: FDM, TDM, CDM. Để sử dụng hiệu quả tài nguyên hệ thống, cần phân bổ tài nguyên và lập lịch một cách thích ứng theo điều kiện kênh truyền và tài nguyên khả dụng, cũng như đặc điểm của loại hình dịch vụ. Phân bổ tài nguyên và lập lịch động cho CDMA20001xEV-DV Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA2000 1xEvolution-Data and Voice (CDMA2000 1xEV-DV) là chuẩn của hệ thống 3G nhằm hỗ trợ tích hợp thoại, truyền hình, dữ liệu với tốc độ dữ liệu tối đa là 3,1Mb/s trên một sóng mang 1,25MHz. Việc lập lịch ở các phiên bản trước của CDMA2000 không phù hợp với 1xEV-DV, bởi lẽ 1xEV-DV có một số tính năng mới như: ghép kênh phân chia thời gian/ghép kênh phân chia theo mã (TDM/CDM) và mã hóa kênh điều chế thích ứng AMC trên kênh dữ liệu gói đường xuống mới (F-PDCH). F-PDCH được thiết kế để truyền dẫn đồng thời dữ liệu, thoại và truyền hình tốc độ cao. Dữ liệu thời gian không thực như FPT, email và trình duyệt Internet được coi là truyền hình. Việc tích hợp trở nên khó hơn khi dùng công nghệ khác nhau để cải thiện chất lượng truyền từng loại gói. Có thể dùng kỹ thuật chuyển mạch gói để truyền dữ liệu và video khi các loại dữ liệu này có dung sai trễ cho phép lớn hơn tiếng. Mặt khác, tài nguyên phải được dành cho lưu lượng thoại nhằm đảm bảo hỗ trợ truyền thoại chất lượng mức mang, cũng như việc cân đối lợi nhuận của nhà cung cấp dịch vụ cân xứng với mức độ thoả mãn của khách hàng, đánh giá mức độ thoả mãn của khách hàng bởi chất lượng dịch vụ (QoS). Vì vậy, ta xét: (i) Phương pháp quản lí tài nguyên hiệu quả nhằm hỗ trợ việc tích hợp các dịch vụ đa phương tiện này ở đường xuống bằng cách khai thác các tính năng mới của 1xEV-DV; (ii) phương pháp quản lí tài nguyên tối ưu mức độ thoả mãn của cả nhà cung cấp dịch vụ và khách hàng; (iii) tính khả thi trong nền công nghiệp. 1.4. KẾT LUẬN Trong chương này, ta đã đề cập về vấn đề phân bổ tài nguyên và lập lịch trong thông tin vô tuyến một cách cơ bản.