Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử đánh giá hiệu năng kỹ thuật scfdma và phân phối tài nguyên đường lên trong hệ thống lte

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện tử đánh giá hiệu năng kỹ thuật scfdma và phân phối tài nguyên đường lên trong hệ, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Đặng Công Nho
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hồng Liên
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Đánh giá hiệu năng kỹ thuật SC-FDMA và phân phối tài nguyên đường lên trong hệ thống LTE
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về SC FDMA và hệ thống LTE

SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) là kỹ thuật truy nhập vô tuyến được sử dụng trong đường lên của hệ thống LTE (Long Term Evolution). Kỹ thuật này giúp giảm tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR), từ đó tăng hiệu suất của bộ khuếch đại công suất. Hệ thống LTE được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu cao, độ trễ thấp và hiệu quả sử dụng tài nguyên. SC-FDMA được lựa chọn cho đường lên do ưu điểm về hiệu năng và khả năng tối ưu hóa tài nguyên.

1.1. Nguyên lý hoạt động của SC FDMA

SC-FDMA hoạt động dựa trên nguyên lý sắp xếp các ký hiệu trên các sóng mang con và truyền tuần tự thay vì song song như OFDMA. Điều này giúp giảm PAPR và tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER). Các phương pháp sắp xếp sóng mang con như IFDMA, LFDMA, và DFDMA được sử dụng để linh hoạt trong các điều kiện truyền dẫn khác nhau. SC-FDMA cũng hỗ trợ tối ưu hóa tài nguyên đường lên thông qua các thuật toán phân phối tài nguyên.

1.2. So sánh SC FDMA và OFDMA

SC-FDMA và OFDMA là hai kỹ thuật truy nhập chính trong hệ thống LTE. Trong khi OFDMA được sử dụng cho đường xuống, SC-FDMA được ưu tiên cho đường lên do khả năng giảm PAPR. SC-FDMA có tỷ lệ lỗi ký hiệu thấp hơn và hiệu suất công suất cao hơn so với OFDMA. Tuy nhiên, OFDMA có ưu điểm về khả năng xử lý nhiễu liên sóng mang (ICI) tốt hơn.

II. Phân phối tài nguyên đường lên trong LTE

Phân phối tài nguyên là một khía cạnh quan trọng trong hệ thống LTE, đặc biệt là trong đường lên. Việc phân phối tài nguyên hiệu quả giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Các thuật toán như BIP (Binary Integer Programming) và Greedy được sử dụng để phân bổ tài nguyên một cách tối ưu. Tài nguyên đường lên bao gồm các khối tài nguyên (RB) được phân bổ dựa trên nhu cầu của người dùng và điều kiện kênh truyền.

2.1. Nguyên tắc phân phối tài nguyên

Nguyên tắc phân phối tài nguyên trong hệ thống LTE dựa trên việc tối ưu hóa tốc độ truyền dữ liệu và giảm thiểu số lượng kênh con sử dụng. Các thuật toán như BIP và Greedy được áp dụng để đảm bảo phân bổ tài nguyên một cách công bằng và hiệu quả. Tối ưu hóa tài nguyên cũng liên quan đến việc điều chỉnh các tham số như PAPR và SER để cải thiện hiệu suất hệ thống.

2.2. Mô hình hệ thống và bài toán tối ưu

Mô hình hệ thống trong LTE bao gồm các thành phần như eNodeB, UE, và các kênh truyền dẫn. Bài toán tối ưu hóa tài nguyên được đặt ra nhằm tối đa hóa tốc độ truyền dữ liệu và tối thiểu hóa số lượng kênh con sử dụng. Các thuật toán phân phối tài nguyên được mô phỏng và đánh giá dựa trên các tiêu chí như PAPR, SER, và hiệu suất công suất.

III. Hiệu năng kỹ thuật SC FDMA

Hiệu năng kỹ thuật SC-FDMA được đánh giá thông qua các chỉ số như PAPR, SER, và hiệu suất công suất. Kỹ thuật này giúp giảm PAPR đáng kể so với OFDMA, từ đó tăng hiệu suất của bộ khuếch đại công suất và giảm chi phí thiết bị đầu cuối. SC-FDMA cũng có khả năng linh hoạt trong việc sắp xếp sóng mang con, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn trong các điều kiện kênh khác nhau.

3.1. Đánh giá PAPR và SER

PAPR và SER là hai chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu năng của SC-FDMA. PAPR thấp giúp tăng hiệu suất công suất và giảm chi phí thiết bị. SER thấp đảm bảo chất lượng truyền dẫn và giảm tỷ lệ lỗi ký hiệu. Các mô phỏng cho thấy SC-FDMA có PAPR và SER thấp hơn so với OFDMA, đặc biệt trong các điều kiện kênh truyền phức tạp.

3.2. Tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn

Tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn trong SC-FDMA được thực hiện thông qua việc điều chỉnh các tham số như PAPR, SER, và phương pháp sắp xếp sóng mang con. Các thuật toán tối ưu hóa giúp cải thiện hiệu suất công suất và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong hệ thống LTE. Các kết quả mô phỏng cho thấy SC-FDMA có hiệu suất vượt trội so với OFDMA trong đường lên.

IV. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tế

Các kết quả mô phỏng cho thấy SC-FDMA có hiệu năng vượt trội so với OFDMA trong đường lên của hệ thống LTE. Các thuật toán phân phối tài nguyên như BIP và Greedy được đánh giá là hiệu quả trong việc tối ưu hóa tài nguyên và cải thiện hiệu suất hệ thống. SC-FDMA cũng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin di động thế hệ mới, đặc biệt là trong LTE và 5G.

4.1. Mô phỏng hiệu năng SC FDMA

Các mô phỏng hiệu năng của SC-FDMA được thực hiện trên các mô hình kênh truyền khác nhau như kênh không di chuyển, kênh người đi bộ, và kênh di chuyển tốc độ cao. Kết quả cho thấy SC-FDMA có PAPR và SER thấp hơn so với OFDMA, đặc biệt trong các điều kiện kênh truyền phức tạp. Các thuật toán phân phối tài nguyên cũng được đánh giá là hiệu quả trong việc tối ưu hóa tài nguyên.

4.2. Ứng dụng thực tế của SC FDMA

SC-FDMA được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin di động thế hệ mới như LTE và 5G. Kỹ thuật này giúp tối ưu hóa hiệu suất công suất và cải thiện chất lượng dịch vụ. SC-FDMA cũng được sử dụng trong các ứng dụng IoT và các hệ thống truyền thông đa phương tiện, đảm bảo hiệu suất truyền dẫn cao và độ tin cậy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE 1. Các mục tiêu yêu cầu của LTE. Mục tiêu của LTE là đạt được thông lượng người sử dụng cao hơn trên cả đường lên và xuống, hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn và yêu cầu tương thích với các mạng đang tồn tại của 3GPP hay các mạng khác. Các mục tiêu LTE được thể hiện dưới các khía cạnh sau: 1.

Tiềm năng công nghệ. Tốc độ số liệu đỉnh và hiệu quả sử dụng phổ tần. Tốc độ dữ liệu đỉnh có thể được định nghĩa như thông lượng tối đa trên người dùng giả sử toàn bộ băng thông được cấp cho một người dùng với kiểu điều chế và mã hóa cao nhất và số anten lớn nhất được hỗ trợ, mào đầu giao diện vô tuyến đặc trưng đã được ước lượng và tính toán trong những giới hạn đã cho. Với các hệ thống TDD, tốc độ đỉnh thường được tính toán phân biệt cho đường lên và đường xuống, điều này dẫn đến có thể đạt được một tỉ số đường xuống, đường lên tương ứng và đánh giá mức độ tốt của hệ thống khi so với các hệ thống khác trong cùng mode song công.

Hiệu quả sử dụng phổ tần đơn giản tính được bằng cách chia tốc độ dữ liệu đỉnh cho phổ tần được cấp phát. Tốc độ dữ liệu đỉnh mà LTE hướng tới là 100Mbps và 50Mbps cho đường xuống và đường lên tương ứng, với băng thông 20MHz, hiệu quả phổ tần tương ứng lần lượt là 5bps/Hz và 2.5 bps/Hz, với giả sử rằng thiết bị đầu cuối có 2 anten thu và 1 anten phát. Số anten được sử dụng tại trạm gốc có thể dễ dàng được nâng cấp bởi các nhà khai thác mạng, phiên bản đầu tiên của LTE đã được thiết kế hỗ trợ đa anten đường xuống lên tới 4 anten phát và thu. Trễ mặt phẳng người sử dụng.

Trễ mặt phẳng người dùng là một tham số hiệu năng quan trọng cho các dịch vụ tương tác và các dịch vụ thời gian thực. Trên giao diện vô tuyến, trễ mặt phẳng người dùng tối thiểu có thể được tính dựa trên phân tích báo hiệu trong trường hợp hệ thống không tải. Nó được định nghĩa như thời gian trung bình giữa gói phát và thu đầu tiên của phản hồi lớp vật lý (ACK), bao gồm cả tỉ lệ phát lại HARQ (khoảng 0 – 30%). Định nghĩa này có thể được xem như khả năng của hệ thống mà không bị tác động bởi trễ lập lịch xuất hiện trong trường hợp hệ thống có tải.

Trễ vòng (round – trip) có thể được tính đơn giản bằng cách nhân trễ mặt phẳng người dùng một chiều với hệ số 2. LTE yêu cầu trễ chấp nhận được trên một gói dữ liệu lớp IP một chiều qua giao diện vô tuyến tối đa là 5ms trong các điều kiện tối ưu. Tuy nhiên, thực tế thì điều này cũng còn tùy vào tải hệ thống và điều kiện truyền, ví dụ HARQ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hiệu quả sử dụng phổ tần tuy nhiên lại gây độ trễ khi yêu cầu phát lại, trong khi ở một khía cạnh khác, khi hiệu quả sử dụng phổ tần không quan trọng thì trễ tối thiểu được đặt lên hàng đầu. Trễ mặt phẳng điều khiển.

Cùng với yêu cầu trễ mặt phẳng người dùng, thời gian thiết lập cuộc gọi cũng được yêu cầu phải thấp hơn so với các hệ thống di động tổ ong tồn tại trước đó. Điều này không chỉ mang lại hiệu quả trong cảm nhận của người dùng mà còn góp phần kéo GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 3 SV: Đặng Công Nho Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE dài thời gian phục vụ của nguồn nuôi trong các thiết bị đầu cuối, do chuyển đổi nhanh từ chế độ rỗi sang chế độ hoạt động sẽ giúp UE tiết kiệm được nhiều thời gian hơn ở trong chế độ rỗi, tiêu thụ công suất thấp. Trễ mặt phẳng điều khiển được tính như thời gian yêu cầu để thực hiện việc chuyển đổi giữa các trạng thái của LTE, mà chỉ gồm 2 trạng thái là RRC_IDLE và RRC_CONNECTED, trong LTE tham số này được yêu cầu là ít hơn 100ms khi chuyển trạng thái (ngoại trừ trễ tìm gọi và trễ các lớp không phải truy nhập). Hiệu năng của hệ thống.

Yêu cầu thông lượng của người sử dụng của LTE được đặc tả ở hai điểm: vùng phủ và 5% của phân bố người sử dụng (95% người sử dụng có hiệu năng tốt hơn). Mục tiêu hiệu suất phổ tần cũng được đặc tả trong đó hiệu xuất phổ tần được định nghĩa như là thông lượng hệ thống trong ô được đo bằng bit/s/Hz. So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường xuống và HSDPA. HSDPA LTE Đích LTE/ Đã đạt Tốc độ đỉnh (Mbps) 14,4 144 100/đã đạt Hiệu suất phổ tần(bit/Hz/s) 0,75 1,84 3-4 lần HSDPA/ đạt 2,5 Thông lượng người sử dụng biên ô 0,006 0,0148 2-3 lần HSDPA/đạt 2,5 Bảng 1.

So sánh thông số tốc độ và hiệu suất sử dụng băng tần giữa LTE trên đường lên và HSDPA HSUPA LTE Đích LTE/ Đã đạt Tốc độ đỉnh (Mbps) 5,7 57 50/đã đạt Hiệu suất phổ tần (bit/Hz/s) 0,26 0,67 2-3 lần HSUPA/ đạt 2,6 Thông lượng người sử dụng biên ô 0,006 0,015 2-3 lần HSDPA/đạt 2,5 b. Khả năng di động. Trong giới hạn di động, hệ thống LTE yêu cầu hỗ trợ truyền thông giữa các đầu cuối di động lên tới 350km/h, thậm chí 500km/h phụ thuộc vào băng tần cấp phát. Trường hợp này xuất hiện chủ yếu ở các máy di động trên các tàu cao tốc hiện đang ngày càng phổ biến trên thế giới.

Điều này có nghĩa là chuyển giao (handover) giữa các ô phải được thực hiện mà không có ngắt quãng, nói cách khác, không thể cảm nhận được trễ và mất gói cho các cuộc gọi, đồng thời với truyền dẫn tin cậy cho các dịch vụ dữ liệu. Các yêu cầu về vùng phủ tập trung lên vùng phủ, tức là khoảng cách cực đại từ trạm ô tới đầu cuối di động trong ô. Hiệu suất, phổ tần và thông lượng yêu cầu cho các GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 4 SV: Đặng Công Nho Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE ô bán kính 5km, với các ô bán kính tới 30km cho phép giảm nhẹ thông lượng và cho phép giảm khá lớn hiệu suất sử dụng phổ tần song vẫn đáp ứng tính di động. MBMS tăng cường.

Trong mạng quảng bá, tài nguyên vô tuyến được thiết lập trong từng ô nằm trong vùng quảng bá MBMS và tất cả các đầu cuối khi đăng kí với dịch vụ đều thu được cùng môt tín hiệu được phát này. Mạng không cần theo dõi chuyển động đầu cuối và đầu cuối khi đăng ký có thể thu nội dung mà không cần thông báo cho mạng. Như vậy, một trong các lợi ích của dịch vụ MBMS là tiết kiệm được tài nguyên trong mạng vì một luồng dữ liệu có thể cung cấp cho nhiều người sử dụng. Các yêu cầu MBMS tăng cường đề cấp tới chế độ Broatcast và chế độ unicast.

Yêu cầu cho trường hợp quảng bá là hiệu suất sử dụng phổ tần là 1bit/s/Hz tương ứng với 16 kênh TV trong đó mỗi kênh sử dụng 300Kbps trong băng thông 5MHz. Tất nhiên LTE đảm bảo cung cấp các dịch vụ thoại và MBMS đồng thời, được trộn lẫn với nhau. Dung lượng thoại. Không giống như các lưu lượng hàng đợi hoàn toàn (như tải file) đặc trưng bởi khả năng chịu trễ và không yêu cầu đảm bảo tốc độ bit, lưu lượng thời gian thực như thoại trên nền IP (VoIP) bắt buộc trễ thấp.

Đây là một thách thức lớn cho các dịch vụ trên LTE vốn dựa trên nền chuyển mạch gói và chỉ dựa vào lập lịch thích ứng để giải quyết. Dung lượng hệ thống yêu cầu được định nghĩa như số thuê bao VoIP được thỏa mãn đồng thời trong mô hình lưu lượng cụ thể và trễ bắt buộc cho trước. Ở đây, một người dùng VoIP được xem như không được thỏa mãn nếu hơn 2% số gói VoIP không đến được máy thu trong 50ms và bị hủy. Giả sử rằng trễ đầu cuối (từ máy di động này tới máy di động khác) nhỏ hơn 200ms.

Dung lượng hệ thống cho VoIP có thể được xem như số người dùng hiện tại trên một ô khi trên 95% số người dùng được phục vụ. Các tính năng quan trọng của LTE. Sơ đồ truyền dẫn đường xuống của LTE là OFDMA dựa trên công nghệ OFDM, OFDM là một sơ đồ truyền dẫn hấp dẫn vì một số lý do, do thời gian ký hiệu OFDM kết hợp với chu trình tiền tố khá dài, OFDM đảm bảo độ bền chắc chống lại chọn lọc tần số của kênh vô tuyến cao hơn. Khả năng đề kháng chống pha đinh chọn lọc sẵn có là một giải pháp lý tưởng cho đường xuống đặc biệt được kết hợp với ghép kênh không gian.

Một số lợi ích OFDM: OFDM cung cấp tới truy nhập miền tần số, vì thế cho phép mở rộng mức độ tự do cho bộ lập biểu phụ thuộc kênh so với HSPA. OFDM dễ dàng hỗ trợ ấn định băng thông linh hoạt (ít nhất từ quan điểm băng gốc) bằng cách thay đối số lượng các sóng mang con sử dụng cho truyền dẫn. OFDM cho phép thực hiện đơn giản truyền dẫn quảng bá/đa phương tiện, trong đó cùng một thông tin được phát đi từ nhiều trạm gốc.TS Phạm Hồng Liên Trang 5 SV: Đặng Công Nho Chương 1: Tổng quan về công nghệ 3GPP LTE Đối với đường lên LTE, truyền dẫn đơn sóng mang dựa trên OFDM trải phổ được sử dụng (DFTs-OFDM). Sử dụng điều chế đơn sóng mang cho phép giảm PAPR so với truyền dẫn đa sóng mang như OFDM.

PAPR càng nhỏ thì công suất phát trung bình càng cao đối với một bộ khuếch đại công suất cho trước. Vì thế truyền dẫn đơn sóng mang cho phép đạt được hiệu suất sử dụng bộ khuếch đại công suất cao hơn và điều này dẫn tới tăng vùng phủ. Điều này thực sự quan trọng đối với đầu cuối di động có công suất hạn chế. Đồng thời, vấn đề xử lý méo tín hiệu đơn sóng mang do fading chọn lọc tần số gây ra trên đường lên cũng không phải là vấn đề quan trọng vì nó được thực hiện tại trạm gốc nơi có khả năng xử lý tín hiệu mạnh hơn.

Lập biểu phụ thuộc kênh. LTE sử dụng truyền dẫn kênh chia sẻ, trong đó tài nguyên tần số - thời gian được chia sẻ giữa các người sử dụng. Việc sử dụng tài nguyên kênh chia sẻ là hoàn toàn phù hợp với các yêu cầu tài nguyên thay đổi rất nhanh chóng do truyền dẫn gói gây ra.