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

Phân bổ tài nguyên thích ứng cho hệ thống MIMO-OFDM đa người dùng Tài nguyên và các phương pháp sử dụng hiệu quả KẾT LUẬN Phân bổ tài nguyên và lập lịch động cho đường xuống hệ thống CDMA20001xEV-DV NỘI DUNG Đặc tính kênh vô tuyến di động và ước tính kênh Tài nguyên vô tuyến và đa truy nhập Các phương pháp đa truy nhập được xây dựng trên cơ sở phân chia tài nguyên vô tuyến cho các nguồn sử dụng (kênh truyền dẫn) khác nhau Multiple Access Schemes Nguyên lý đa truy nhập Có thể nói rằng: Các hệ thống đa truy nhập khám phá và tạo ra các tài nguyên (tần số, thời gian, mã, không gian) có tính duy nhất và khai thác triệt để tính duy nhất vào mục đích truyền thông Điều chế thích ứng trong lớp vật lý Tài nguyên và thích ứng Ghép song công TDD Cấu trúc khung TDD TÍNH NĂNG LỚP VẬT LÝ 2 Kênh vô tuyến di động và ước tính kênh Kênh vô tuyến Mô hình elip của Parsons và Bajwa Mô hình hóa kênh vô tuyến di động Mô hình đường trễ đa nhánh Đáp ứng xung kim phụ thuộc thời gian Đặc tính kênh vô tuyến di động Tính phụ thuộc thời gian Đáp ứng xung kim kênh và lấy trung bình các thành phần tán xạ Các đường truyền khả phân giải OFDM và kênh vô tuyến OFDM trong miền thời gian-tần số OFDM Phân loại kênh pha đinh phạm vi hẹp Mối quan hệ: WSSUS với khả phân giải; LTV và Doppler CSI bị trễ t=0: MS ước tính kênh & đưa trở lại BS t=: BS nhận các ước tính, thích ứng truyền dẫn dựa vào các ước tính này CSI không chính xác BER lớn hơn b/s/Hz nhỏ hơn MS Dự đoán kênh vô tuyến Dùng các ước tính kênh hiện tại và trước đó để dự đoán đáp ứng kênh tương lai Khắc phục trễ đưa trở lại: Thích ứng dựa vào đáp ứng kênh đã được dự đoán Dự báo thông qua ước tính tần số 2-D Nếu ước tính chính xác các tham số kênh trong mô hình kênh, thì có thể ngoại suy một cách hiệu quả quá trình pha đinh Khoảng thời gian ước tính và ngoại suy nên nằm trong cửa số thời gian trong đó các tham số mô hình là dừng Ước tính các hình sin phức hai chiều trong tạp âm Mô hình kênh tất định Kịch bản vĩ Ô di động trong ngoài nhà Giả định sóng phẳng Di chuyển đường thẳng với vật tốc không đổi Cửa sổ thời gian nhỏ (vài bước sóng) Mô hình kênh Used in modeling and simulation ofwireless channels [Jakes 1974] Used in ray-tracing channelcharacterization [Rappaport 2002] n OFDM symbol indexk subchannel index Ước tính trễ và ước tính tần số Doppler Một cách điển hình, nhiều đường truyền sóng chia sẻ cùng trễ khả phân giải Cần phải thực hiện ước tính: Time-delay estimation Doppler-frequency estimation Ước tính kênh MIMO-OFDM(Ước tính RDS, SNR, công suất kênh dựa vào không gian con) Mô hình hệ thống MIMO-OFDM Ước tính kênh MIMO-OFDM Ước tính số đường truyền Ước tính công suất tạp âm và công suất kênh, SNR Ước tính kênh MIMO-OFDM Ước tính RMS Đánh giá hiệu năng Lưu đồ ước tính kênh MIMO-OFDM Ước tính kênh MIMO-OFDM Ước tính kênh MIMO-OFDM Phân bổ tài nguyên và lập lịch động cho đường xuống hệ thống CDMA20001xEV-DV 3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CDMA2000 1xEV-DV 1xEV-DV tương thích ngược với IS-95A/B và CDMA2000 1x. 1xEV-DV tương đương với Revision C và Revision D của CDMA2000 Kết hợp cả voice và data trên cùng một sóng mang; Tốc độ thấp (153 Kbps) Để tăng tốc độ dữ liệu 2.4Mbps  phân biệt sóng mang cho dữ liệu và thoại riêng Nhược điểm: Không có tính mềm dẻo giữa thoại và dữ liệu, nên hiệu quả thấp Kết hợp cả thoại và dữ liệu trên cùng một sóng mang đơn nhưng tốc độ sẽ cao hơn, 3,1Mbps LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CDMA2000 1xEV-DV Báo hiệu lớp trên Lớp con LAC Dịch vụ dữ liệu Dịch vụ thoại Điều khiển ghép kênh và phân phối QoS SRBP RLP RLP RLP Lớp con MAC Chức năng điều khiển F-PDCH Lớp vật lý Đặc tính mới của Rev C Báo hiệu giao diện lớp vật lý OSI Layers 3-7 OSI Layer 2 OSI Layer 1 KIẾN TRÚC PHÂN LỚP CỦA CDMA2000 1xEV-DV Các kênh vật lý mới Đường xuống: Kênh dữ liệu gói đường xuống F-PDCH Kênh điều khiển dữ liệu gói đường xuống F-PDCCH Đường lên: Kênh xác nhận đường lên R-ACKCH Kênh chỉ thị chất lượng kênh đường lên R-CQICH 2. Mã hóa và điều chế thích ứng AMC 3. Hybrid ARQ H-ARQ loại I H-ARQ loại II CÁC CẢI TIẾN QUAN TRỌNG CỦA 1xEV-DV 4. Lựa chọn ô (cell selection) 5. Ghép kênh TDM/CDM linh hoạt 6. Tổ hợp kênh lưu lượng với F-PDCH CÁC CẢI TIẾN QUAN TRỌNG CỦA 1xEV-DV 1xEV-DV Các mode truyền dẫn của CDMA2000 1xEV-DV Kênh cơ bản (F-FCH/F-FDCCH) Kênh hỗ trợ tốc độ (F-SCH) Kênh điều khiển băng rộng Kênh lưu lượng mới (Revision C) Tốc độ dữ liệu thấp 1 kênh cho 1 MS Tốc độ dữ liệu cao Nhiều user cùng sử dụng một kênh (Thời gian sử dụng được chia đều, 160ms 1 user) Tải nhỏ, tốc độ thấp, trễ lớn Ứng dụng: cho các gói tin như SMS Được gọi là cấu hình radio đường xuống Tốc độ cao, chia sẻ thời gian giữa các user Sử dụng các phương pháp điều chế và mã hoá thích hợp CÁC PHƯƠNG THỨC CƠ BẢN 1xEV-DV Mã hoá và điều chế nhanh, đối với một truyền dẫn Truyền dẫn trong khoảng thời gian ngắn Các tham số thích ứng dựa trên: Tài nguyên sẵn có của BTS Tổng dữ liệu cần truyền Điều kiện kênh thích ứng  Cho phép sử dụng hiểu quả nhất tài nguyên Khoảng thời gian truyền dẫn từ 1,25ms đến 5ms Tối thiểu hoá thay đổi trong suốt thời gian xảy ra truyền dẫn về: Tài nguyên sẵn có Điều kiện kênh CÁC PHƯƠNG THỨC CƠ BẢN 1xEV-DV (tiếp) Truyền dẫn tới 1 (hoặc 2 user) tại một thời điểm Cung cấp các phương thức giúp cho truyền dẫn lại hiệu quả và nhanh chóng Truyền dẫn gói tin tại tới user khi chất lượng kênh tốt  Tránh được lãng phí công suất khi truyền gói tin tại thời điểm kênh chất lượng kém Nhận tín hiệu ACK và NAK nhanh từ phía MS Kết hợp truyền dẫn và truyền dẫn lại để giải mã được tốt nhất  Cho phép xử lý linh hoạt và có khả năng truyền dẫn tại tốc độ dữ liệu cao nhất có thể KHÁI NIỆM QUAN TRỌNG Tối ưu hoá tài nguyên đường xuống Cấp phát công suất còn lại cho gói dữ liệu tại kênh F-PDCH Dữ liệu cho các user khác nhau được ghép TDM trên F-PDCH Sử dụng các kỹ thuật viễn thông tiên tiến . . Phân bổ công suất Phân bổ mã định kênh Lập lịch các kênh thích ứng Hỗ trợ nhiều user Mã hoá và điều chế thích ứng Tăng dung lượng KÊNH F-PDCH BTS Công suất phát Thời gian Maximum User 1 Các kênh cơ bản và kênh bổ sung Các kênh mào đầu User 2 CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN ĐỘNG 1xEV-DV Walsh Space Tài nguyên thừa trong PDCH Kênh chung đặc biệt TRUYỀN DẪN DỮ LIỆU VÀ THOẠI ĐỒNG THỜI F-PDCH VÀ F-FCH Khi hệ thống cần thêm kênh thoại, kênh F-FCH mượn thêm WalseCode từ F-PDCH PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÀ LẬP LỊCH CHO ĐƯỜNG XUỐNG CỦA 1xEV-DV BÀI TOÁN CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN ĐƯỜNG XUỐNG BÀI TOÁN LẬP LỊCH PHƯƠNG ÁN GIẢI QUYẾT 3 ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Bài toán phân bổ tài nguyên 2. Bài toán lập lịch 3. Mục đích: Tối đa tốc độ dữ liệu Đảm bảo chất lượng dịch vụ Đảm bảo tính công bằng Gán mức ưu tiên và giới hạn trễ tối đa MÔ HÌNH ĐƯỜNG XUỐNG Mã hóa Turbo: R=1/5 Cấu hình vô tuyến 10 Độ rộng của kênh: 1,25 MHz Kênh điều khiển: F-PDCCH 0, F-PDCCH 1 Điều chế: Q-PSK, 8-PSK và 16-QAM Trải phổ: mã Walsh, SF=32, F-PDCH được cấp 28 mã Walsh Phân đoạn gói tin: SPID=0,1,2,3 Đặc điểm kênh F-PDCH Mô hình phân bổ tài nguyên Tình trạng kênh đường xuống được miêu tả bởi SINR: MÔ HÌNH ĐƯỜNG XUỐNG Truyền tín hiệu hoa tiêu: BS định kỳ gửi tín hiệu hoa tiêu tới tất cả các MS trong vùng phủ của nó. Thông tin phản hồi điều kiện kênh đường xuống: Dựa vào tín hiệu hoa tiêu, MS ước tính tình trạng kênh đường xuống và gửi kết quả ước tính kênh cho BS 1,25ms/lần. Cập nhật thông tin và tính toán thuật toán quản lý tài nguyên: BS kiểm tra lượng tài nguyên khả dụng, tính toán thuật toán quản lý tài nguyên để lập biểu các MS, xác định lượng tài nguyên được phân bổ cho các MS được lập biểu. Phân bổ tài nguyên. BÀI TOÁN PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN + Tốc độ dữ liệu: + Mức ưu tiên của mỗi MS: Li(t) = βi + λi(t) * μi Trong đó: βi miêu tả lợi nhuận của nhà cung cấp μi miêu tả lợi ích của thuê bao λi(t) là giá trị trễ (khe thời gian). + Giới hạn trễ: γi Max_ Li = βi + (γi ) ∗ µi BÀI TOÁN LẬP LỊCH Mục tiêu: Tối đa mức ưu tiên và tốc độ dữ liệu được hỗ trợ KẾT HỢP PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÀ LẬP LỊCH (3/1) Các ràng buộc (2/1): KẾT HỢP PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÀ LẬP LỊCH (3/2) Các ràng buộc (2/2): KẾT HỢP PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÀ LẬP LỊCH (3/3) CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢI QUYẾT Bài toán kết hợp phân bổ tài nguyên là lập lịch là bài toán lập trình tuyến tính (Linear Programming–LP) số nguyên nhị phân với nhiều ràng buộc. Tồn tại nhiều phương pháp giải, mục đích cuối cùng của chúng là tại một thời điểm MS nào được phục vụ và tổ hợp tài nguyên được cấp phát, nghĩa là xác định cặp (i,j) . Mục tiêu: Tối đa mức ưu tiên và tốc độ dữ liệu được hỗ trợ KẾT HỢP PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÀ LẬP LỊCH (3/1) Thuật toán tự tìm kiếm HEU Thuật toán HEU là một thuật toán dựa trên tỷ lệ đơn giản, với mục tiêu tối thiểu thời gian thực hiện. (i) loại bỏ các cặp (i,j) không thỏa mãn các ràng buộc công suất và mã làm nghiệm ứng cử. (ii) tính toán tỷ lệ giá trị hàm mục tiêu trên lượng tài nguyên được yêu cầu bởi các cặp (i,j) còn lại. (iii) nhóm các cặp(i, j) được xắp xếp theo thứ tự giảm dần của tỷ lệ. (iii) cặp (i, j) ở đầu danh sách được lựa chọn là một nghiệm đầu tiên. (iv) duyệt xuống phía dưới danh sách để tìm ra cặp (i,j) tiếp theo thỏa mãn các ràng buộc khác. Nhóm các MS dựa trên loại gói tin của chúng (video,data) Đối với mỗi nhóm: 1.Chuẩn hoá SINR của các MS 2. Chuẩn hoá giá trị D của MS D là số khe (slot) cho phép trước khi đạt tới giới hạn trễ Với mỗi MSi, thêm SINRi chuẩn hóa và Di chuẩn hóa, sau đó lưu lại ở dạng Ti. Sắp xếp mỗi nhóm dựa trên Ti của MS theo thứ tự Với mỗi nhóm: vì có 4 kích cỡ gói mã hóa có thể được gán, nên phân các MS thành 4 nhóm. Đặt kết quả và lưu lại trong Uvideo or Udata. Uvideo hoặc Udata đầu tiên của MS trong danh sách được gán kích cỡ gói tin lớn nhất (2328 bits với video, và 3684 bits cho data). Uvideo hoặc Udata thứ hai của MS trong danh sách được chỉ dịnh kích cỡ gói tin lớn nhì (1560 bits với video, và 3096 bits cho data) Và tiếp tục như vậy.. áp dụng HEU để lập lịch động và phân bổ tài nguyên trong thực trạng môi trường mạng biến đổi. Mục tiêu là thích ứng theo môi trường kênh. MÔ PHỎNG ĐỘNG (QUÁ TRÌNH GÁN KÍCH CỠ GÓI MÃ HÓA) 4 Phân bổ tài nguyên trong các hệ thống vô tuyến Các mạng WLAN: 54--108 Mbps Metropolitan area networks (WiMAX) ~10--100 Mbps Các nguồn tài nguyên hữu hạn được chia sẻ bởi nhiều người dùng Công suất phát Độ rộng băng tần Thời gian truyền dẫn Nguồn mã Các anten không gian Các ảnh hưởng của phân bổ tài nguyên Tiêu thụ công suất Thông lượng người dùng Sự tiềm tàng hệ thống OFDM Được chấp nhận bởi nhiều chuẩn truyền thông không dây: IEEE 802.11a/g WLAN; Phát hình số DVB Kênh băng rộng được phân chia thành nhiều kênh con băng hẹp: Chựu được đa đường; Thực hiện cân bằng đơn giản hơn so với hệ thống đơn sóng mang Dùng TDMA/FDMA tĩnh OFDM đa người dùng (MU-OFDM) Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) Được chấp nhận bởi các chuẩn IEEE 802.16a/d/e Nhiều người dùng phát trên các sóng mang con khác nhau tại cùng thời điểm Thừa hưởng các ưu điểm của OFDM Khai thác tính phân tập giữa các người dùng . . . Khai thác phân tập đa người dùng OFDM đa người dùng đường xuống Các người dùng chia sẻ các kênh con và công suất phát trạm gốc Người dùng chỉ giải mã dữ liệu riêng của họ Phân bổ tài nguyên MU-OFDM Mục đích là tối ưu hóa việc phân bổ công suất và cấp phát kênh con để đạt được dung lượng tổng lớn nhất nhưng vẫn đảm bảo chất lượng BER trong điều kiện ràng buộc về công suất. Dùng dung lượng tổng được đánh trọng số đồng đều làm hàm mục đích, nhưng đưa tính công bằng cân xứng vào bằng cách xét đến tập các rằng buộc phi tuyến. Lợi ích của việc đưa tính công bằng cân xứng vào là nhằm kiểm soát các tỉ lệ dung lượng giữa các người dùng, và đảm bảo cho mỗi người dùng có khả năng đáp ứng tốc độ dữ liệu chiến lược của họ trong điều kiện công suất phát tổng khả dụng phù hợp. Mô hình hệ thống MU-OFDM MU-OFDM với các tốc độ cân xứng Mục đích: Dung lượng tổng Các ràng buộc Công suất phát tổng Tính duy nhất của chiếm dụng kênh con Các ràng buộc tốc độ cân xứng Ưu điểm Cho phép độc quyền dịch vụ và định giá Công thức Giải pháp cậntối ưu hai bước Phân bổ kênh con Cho phép người dùng có dung lượng được phân bổt/tỉ lệ nhỏ nhất chọn sóng mang con tốt nhất Thay đổi theo các tốc độ cân xứng đồng hoạt động Mức độ phức tạp O(K N log N) Phân bổ công suất Giải pháp (nghiệm) chính xác với điều kiện đã phân bổ sóng mang con Trường hợp tổng quát Nghiệm cho tập K phương trình phi tuyến K ẩn số Phương pháp Newton-Raphson là O(n K) Trường hợp đặc biệt: Tỉ số kênh trên tạp âm lớn (CNR lớn) Nghiệm của đa thức với mức độ phức tạp O(n K) Mô phỏng điển hình là 10 bước lặp K - số người dùng N - Số kênh con n - Số bước lặp Giải pháp cận tối ưu Mỗi người dùng chiếm dụng các kênh con có tỉ lệ kênh trên tạp âm cao nhất Tại mỗi bước lặp, người dùng có dung lượng cân xứng nhỏ nhất có cơ hội chiếm dụng kênh con Cấp phát kênh con Cấp phát kênh con Phân bổ công suất cho một người dùng Phân bố công suất tối ưu cho user Xắp xếp Giải thuật Water-filling Làm thế nào tìm với Phân bổ công suất giữa nhiều người dùng Dùng các ràng buộc công suất tổng và tốc độ cân xứng Giải hệ K phương trình phi tuyến : Hai trường hợp đặc biệt Tuyến tính: , nghiệm dạng kín CNR cao: và Trường hợp tuyến tính Trường hợp phi tuyến So sánh với giải pháp tối ưu N0=-100dBm/Hz, Ptol=-30dBm/Hz, BW=1MHz; N=10; K=2; AWGN So sánh với dung lượng Max-Min Minh họa - thực hiện 4 bước Xác định số sóng mang con Nk cho mỗi người dùng Gán các sóng mang con cho mỗi người dùng để đưa ra tỉ lệ sơ bộ Gán công suất tổng Pk cho mỗi người dùng để tối đa dung lượng Gán các công suất pk,n cho các sóng mang của mỗi người dùng (waterfilling) 2 = 1/4 1 = 3/4 3 6 5 9 N = 4 K = 2 Ptotal = 10 Tỉ lệ (cân đối) mong muốn giữa các tốc độ dữ liệu Bước1: Số sóng mang con/User 3 6 5 9 2 = 1/4 1 = 3/4 N = 4 K = 2 Ptotal = 10 Bước 2: Gán sóng mang con Rk log2(1+2,5*10)=4,70 log2(1+2,5*7)=4,21 log2(1+2,5*8)=4,39 Rtot 13,3 log2(1+2,5*9)=4,55 4,55 Bước 3: Công suất/người dùng P1 = 7,66 P2 = 2,34 N = 4; K = 2; Ptotal = 10 Bước 4: Công suất/sóng mang con p1,1= 2,58 p1,2= 2,55 p1,3= 2,53 p2,1= 2,34 Các tốc độ dữ liệu: R1 = log2(1 + 2,58*10) + log2(1 + 2,55*8) + log2(1 + 2,53*7) = 13,39008 so với (13,3) R2 = log2(1+ 2,34*9) = 4,46336 so với (4,55) P1 = 7,66 P2 = 2,34 Waterfilling trên các sóng mang con cho mỗi người dùng Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng Tổng quan về phân bổ tài nguyên và lập lịch trong thông tin vô tuyến Đặc tính kênh vô tuyến di động và ước tính kênh MIMO-OFDM Phân bổ tài nguyên và lập lịch động cho CDMA20001xEV-DV Kết luận (1/2) Phân bổ tài nguyên thích ứng trong các hệ thống MU- OFDM Tối đa dung lượng tổng Ép các tốc độ dữ liệu người dùng cân xứng Giải thuật phân bổ tài nguyên cận tối ưu độ phức tạp thấp Cấp phát kênh con với giả thiết công suất trên chúng là bằng nhau. Phân bố công suất tối ưu cho một người dùng Phân bố công suất tối ưu giữa nhiều người dùng với tính cân xứng Kết luận (1/2) Phân bổ tài nguyên cho MU-OFDM với các tốc độ cân xứng: Cho phép dung hòa giữa dung lượng tổng và “tính công bằng” tốc độ người dùng Ưu điểm Ước lượng sự dung hòa dung lượng tổng và tính công bằng tốc độ dữ liệu người dùng Tận dụng dung lượng tổng tối đa và dung lượng max-min Đạt được phân bố tốc độ dữ liệu mềm dẻo giữa các người dùng Cho phép định giá mền dẻo dịch vụ và độc quyền kinh doanh Kết luận (2/2) Đáp ứng kênh CIR của người dùng Đáp ứng tần số của người dùng Đáp ứng tần số của người dùng Phân bổ kênh con phi tuyến Phân bổ kênh công suất tuyến tính Phân bổ kênh con phi tuyến Phân bổ công suất phi tuyến