Phương pháp cấp phát kênh động phân tán cho mạng đa truy nhập băng rộng sử dụng công nghệ OFDMA/TDD

Nội dung text: Phương pháp cấp phát kênh động phân tán cho mạng đa truy nhập băng rộng sử dụng công nghệ OFDMA/TDD

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH ĐỘNG PHÂN TÁN CHO MẠNG ĐA TRUY NHẬP BĂNG RỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ OFDMA/TDD PHẦN II: MÔ HÌNH ỨNG DỤNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG A DECENTRALISED DYNAMIC SUB-CHANNEL ALLOCATION METHOD FOR MULTIUSER BROADBAND NETWORKS USED OFDMA/TDD TECHNOLOGY PART II: APPLICATION MODEL AND SIMULATION RESULTS Nguyễn Văn Đức, Nguyễn Hữu Thanh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT Lý thuyết về phương pháp cấp phát kênh động phân tán cho mạng đa truy nhập băng rộng sử dụng công nghệ OFDMA/TDD đã được trình bày ở phần I của bài báo này. Phần tiếp theo, trình bày các kết quả nghiên cứu dựa trên mô hình phỏng tạo để phân tích hiệu năng của thuật toán đề xuất. Tham số hệ thống, mô hình mạng, mô hình kênh truyền, mô hình lưu lượng mạng đều được xây dựng trên chuẩn WiMax di động, IEEE802.16e. Kết quả mô phỏng số cho thấy nhiễu đồng kênh của mạng có thể được giảm đáng kể thông qua thuật toán đề xuất. Bên cạnh đó, thông lượng mạng với thuật toán đề xuất lớn hơn phương pháp OFDM-FDMA thông thường, đặc biệt là khi tải của mạng ở mức cao. Khi các tham số được tối ưu, thông lượng của mạng với thuật toán đề xuất có thể đạt được ở mức 45 Mbits/s/cell cho trường hợp băng thông của mạng là 20MHz, đồng thời đảm bảo chất lượng dịch vụ trên mỗi sóng mang con với tỷ số tín hiệu trên tạp âm lớn hơn 16 dB. ABSTRACT In the part I of this paper, a decentralised algorithm for dynamic channel assignment used for a broadband multiuser OFDMA/TDD network has been presented. The proposed method is designed to reduce the co-channel interference (CCI), and thus increase the overall throughput of the network. In this part, we present the numerical analytical results to evaluate the performance of the proposed algorithm. The system parameters, the scenario for simulations, the wireless channel, and the network traffic are modeled according to the IEEE802.16e standard. The simulation results show that the CCI is significantly reduced by applying the proposed method. The overall throughput of the network obtained by the proposed mechanism outperforms that obtained by a conventional OFDM-FDMA method, especially when the offered load of the network is high. If the parameters are optimized, the throughput of the networks can be achieved up to 45 Mbits/s/cell in case of the system having a bandwidth of 20 MHz. It can also ensure the signal to interference ratio on each sub-carrier higher than 16dB. I. GIỚI THIỆU CHUNG nguyên lý này mà vấn đề ‘hidden node’ và ‘exposed node’ được giải quyết. Ở phần I của bài báo này đã trình bày các vấn đề về nhiễu đồng kênh trong mạng đa truy Để kiểm nghiệm khả năng ứng dụng của nhập băng rộng, sau đó đã đề xuất phương pháp thuật toán này cho mạng WiMax, phần tiếp theo cấp phát kênh động với mục đích tăng thông của bài báo trình bày mô hình phỏng tạo mạng lượng và giảm nhiễu toàn mạng. Cơ chế giảm WiMax, mô hình lưu lượng mạng, mô hình nhiễu đồng kênh cho mạng được thể hiện tóm kênh truyền, sau đó thảo luận về các kết quả mô tắt ở hình 1 và 2. Ở hình 1, máy thu B phát tín phỏng, đồng thời đánh giá chất lượng của mạng hiệu báo bận trên các sóng mang đang sử dụng khi ứng dụng thuật toán đề xuất trong sự so cho việc truyền dẫn từ máy phát A đến máy thu sánh với các thuật toán khác. Các mô hình xây B. Dựa vào tín hiệu báo bận này và mức dựng cho việc phỏng tạo số đều dựa trên cơ sở ngưỡng nhiễu tối đa cho phép mà máy phát C của mạng WiMax. Kết quả phân tích mạng dựa sẽ lựa chọn các sóng mang tương ứng cho việc trên thông lượng toàn mạng đạt được khi chất thiết lập đường nối đến máy thu. Dựa vào lượng tín hiệu trên mỗi sóng mang con lớn hơn một ngưỡng tương ứng với một loại dịch vụ cho 23
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 trước. Kết quả mô phỏng số cho thấy với thuật Hình 3 thể hiện một phương pháp cấp đoán đề xuất, mạng có chất lượng được cải phát kênh OFDM-FDMA thông thường, trong thiện đáng kể so với các thuật toán thông đó các người sử dụng khác nhau sẽ chiếm các thường. Tuy nhiên để đạt được chất lượng này, sóng mang khác nhau. Tuy nhiên sự cấp phát tham số mức ngưỡng sử dụng cho thuật toán đề các sóng mang này chỉ căn cứ vào sự bận rỗi xuất phải được tối ưu. của tập các sóng mang con, mà không quan tâm đến mức độ can nhiễu đến mạng. Giả thiết trong quá trình truyền dẫn một vài sóng mang con có thể không đáp được chất lượng dịch vụ thì các sóng mang còn này sẽ được giải tỏa và cấp cho các thuê bao mới. Đặc điểm của phương pháp Hình 1. Cơ chế cấp phát kênh dựa vào tín hiệu này là đơn giản, tuy nhiên nó không có cơ chế báo bận phát ra từ máy thu chống nhiễu đặc biệt là nhiễu đồng kênh cho mạng. III. MÔ HÌNH HÊ THỐNG PHỎNG TẠO Hình 2. Mặt cắt mức ngưỡng nhiễu cho phép với mức công suất tín hiệu báo bận nhận được tại máy phát cho biết các sóng mang phụ thích hợp phục vụ cho việc truyền dữ liệu Bài báo này được tổ chức như sau: Mục II trình bày vắn tắt về phương pháp cấp phát kênh OFDM-FDMA thông thường. Mục III Hình 4. Mô hình mạng trình bày về các mô hình sử dụng để mô phỏng mạng. Các kết quả phân tích được trình bày ở Mạng mô phỏng được mô tả ở hình 4, mục IV. Mục V là kết luận của bài báo. trong đó gồm 7 cell, bán kính mỗi cell là 500m. Các đơn vị thuê bao MS phân bố đều đặt trong II. PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH không gian (phân bố chuẩn). Các thông số hệ OFDM-FDMA THÔNG THƯỜNG thống sử dụng cho mô phỏng được lấy từ chuẩn WiMAX [2,3] như sau:  Băng thông của hệ thống: B=20MHz  Khoảng thời gian lấy mẫu: ta=1/B=50ns  Chiều dài FFT: NFFT = 256 Tần số sóng mang là fc 1.9GHz . Xét kênh đa đường có trễ truyền dẫn lớn nhất là 0.45µs. Tần số Dopler của mỗi tuyến là 5Hz. Do đó kênh đang xét là kênh biến đổi chậm theo thời gian. Các kênh đa đường của các liên Hình 3. Phương pháp OFDM-FDMA thông kết khác nhau là độc lập xác suất. Mô hình kênh thường [1] fading và phân tập đa đường được phỏng tạo 24
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 theo phương pháp Monte Carlo như trình bày ở trong đó  là mật độ lưu lượng, M ary là số bít [4]. trên một ký hiệu, Ts là khoảng chiều dài ký hiệu Bài bào này giả thiết hệ thống được đồng bộ tốt về thời gian và tần số. Do đó chỉ xuất tính theo s, NC là số cell có trong mạng, và hiện CCI. N max là số sóng mang lớn nhất có thể cấp cho Ta sử dụng mô hình suy hao tín hiệu một người d ng. Rõ ràng Nmax N FFT , trong được mô tả trong [3] đó NFFT là tổng số sóng mang con của hệ k g A 10 log d / d  (1) k 10 0 thống. Gọi Ai là số phần tử của tập Ai . Nếu trong đó: với k A 20log10 4 d0 /  Ai Nmax thì N max kênh con sẽ được lựa d 0 =100m, và  là bước sóng.  là hệ số suy k chọn ngẫu nhiên từ Ai kênh con được lựa hao,  (a bh c / h ) , trong đó h là b b b chọn trước đó. Điều kiện này là cần thiết để chiều cao của BS và được chọn là 80m. Các đảm bảo sự công bằng, tránh tình huống một hằng số a, b, c được chọn từ mô hình dành cho liên kết nào đó sử dụng một tỷ lệ lớn băng địa hình loại A trong [5]. Biến ngẫu nhiên phân thông và khiến cho mạng từ chối dịch vụ đối bố chuẩn loga  mô hình cho hiệu ứng che với các người d ng khác. khuất, giả thiết có phương sai là 10dB. Mô hình điều chế được sử dụng trên tất Giả thiết lưu lượng đến theo phân bố cả các kênh con là 16-QAM. M ary 4 . Thêm Poisson với khoảng thời gian đến trung bình là nữa, ta giả thiết rằng MS k có thể nhận dữ liệu 0.1ms và thời gian giữ trung bình là 0.15s. k k 1 Công suất phát của tất cả MS và BS là 30dBm. thành công từ Bi kênh con Bi Nmax , k k SINR tối thiểu  req được sử dụng để lựa chọn trong đó Bi là số phần tử của tập Bi . Thông kênh con tại máy thu là 16dB. lượng là một biến ngẫu nhiên, có thể thu được Chiều dài của khung con hướng xuống như sau: LDL được thiết lập bằng với chiều dài của M 1 k Ti M ary p Bi bit / s / cell (4) khung con hướng lên LUL và bằng 20 ký hiệu  Ts NC k 1 OFDM. Bởi vậy một khung MAC bao gồm ( L L ) ký hiệu OFDM trong đó có hai ký Các bít dữ liệu tuy được gửi đi nhưng DL UL nếu được nhận trên một kênh con nào đó có hiệu OFDM dành cho việc báo hiệu âm bận cho SINR thấp hơn sẽ bị máy thu loại bỏ và cả hướng lên và hướng xuống. Hiệu quả sử  req dụng phổ của hệ thống sẽ giảm xuống còn: k k xem là bị mất. Dựa trên các tập Ai và Bi , tỷ 2 lệ từ chối trên một khung MAC tại máy thu  p 1 (2) được tính như sau: LDL LUL M 1 k k (5) Tải yêu cầu của mạng được định nghĩa là Ti M ary p ( Ai Bi ) bit / s / cell T N  số bít trung bình trên một giây trên một cell s C k 1 được yêu cầu gửi đi. Giả thiết có M trạm thuê IV. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG bao hoạt động trong khoảng một ký hiệu OFDM nào đó. Tải yêu cầu của mạng được Hiệu quả của việc cấp phát kênh phân tán định nghĩa như sau: sử dụng tín hiệu bận đề cập ở trên được thể hiện trong Hình 2. Ở đây tạp âm nhiễu trắng chưa  M A M N [bit / s / cell] (3) o T N ary max s C 1 Một gói dữ liệu được xem là đã được nhận thành công trên một kênh con nếu SINR tương ứng với kênh con này lớn hơn SINR yêu cầu  req 25
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 được tính đến. Giả thiết chúng xuất hiện ở mức nhỏ và có thể bỏ qua. Hình 6. So sánh thông lượng của hệ thống khi Hình 5. Ảnh hưởng của mức ngưỡng Ithr đến sử dụng cấp phát kênh ngẫu nhiên và khi sử việc sử dụng kênh dụng DCA có quan tâm đến nhiễu Nếu mức ngưỡng tín hiệu bận rất thấp thì Trong Hình 6 là sự so sánh giải thuật của chỉ những kênh con tạo ra công suất nhiễu phương pháp được đề xuất với OFDMA truyền không đáng kể mới được lựa chọn. Điều này có thống, tức là hệ thống OFDMA trong đó mỗi nghĩa là không có sự truyền dẫn trên các kênh người d ng được ấn định ngẫu nhiên một số con đó hoặc có một máy thu bị nhiễu ở một lượng cố định các kênh con tuần tự. Ta có thể khoảng cách rất xa so với máy phát đang quét thấy hệ thống sử dụng giải thuật cấp phát kênh kênh bận. Hệ quả là khả năng SINR trên những đang xét có thông lượng cao hơn hệ thống kênh con này tại máy thu chủ định lớn hơn mức OFDMA truyền thống. yêu cầu là rất cao. Tuy nhiên chỉ một số kênh V. KẾT LUẬN con đáp ứng được điều kiện này, nghĩa là hệ thống đã quá thận trọng trong việc loại nhiễu Các kết quả phân tích mô phỏng cho thấy CCI. Khi mức ngưỡng tín hiệu bận tăng thì số chất lượng thuật toán đề xuất phụ thuộc nhiều kênh con trong tập Ak tăng lên tới tổng số vào sự lựa chọn mức ngưỡng nhiễu cho phép k i tối đa. Nếu mức ngưỡng được chọn quá nhỏ, kênh con, nhưng c ng lúc đó số kênh con bị mạng sẽ có mức CCI tương ứng thấp, tuy nhiên loại tăng lên do mức nhiễu CCI trong mạng thông lượng mạng cũng nhỏ. Điều này là do cũng tăng. Nếu ngưỡng nhiễu tín hiệu bận là rất thuật toán lựa chọn kênh ‘quá nhạy cảm’ ngay cao, điều này cơ bản có nghĩa là không có sự cả khi chỉ có một lượng nhiễu nhỏ tồn tại trong phát hiện và quan tâm đến nhiễu. Hệ thống hoạt mạng. Trong trường hợp mức ngưỡng chọn quá động như thể chỉ có giải thuật lựa chọn kênh lớn thì thuật toán đề xuất không còn tác dụng con ngẫu nhiên được thực hiện. Từ kết quả ở giảm nhiễu cho mạng. Do vậy để mạng hoạt Hình 5 xét cho trường hợp  req = 16 dB, ta có động tốt với thuật toán đề xuất thì mức nhiễu thể thấy rằng có một giá trị tối ưu cho mức cần được lựa chọn ph hợp. Với một mức ngưỡng công suất tín hiệu bận ở xung quanh giá ngưỡng ph hợp cho thuật toán đề xuất thì trị -90dBm, giá trị này làm tăng sự sử dụng mạng có thể đạt thông lượng toàn mạng cao hơn so với phương pháp OFDMA thông kênh lên 30% so với trường hợp I = - 70dBm. thr thường, đặc biệt khi tải của mạng tăng cao. Giá trị mức ngưỡng tối ưu cũng phụ thuộc và o Thuật toán đề xuất do vậy có thể ứng dụng cho giá trị của yêu cầu chất lượng dịch vụ . mạng WiMax. Mặt khác do tính chất xử lý phân Chúng ta cũng nhận thấy rằng khi yêu cầu chất bố của thuật toán nên nó có thể ứng dụng cho lượng dịch vụ càng thấp thì giá trị mức ngưỡng mạng Adhoc. Đây là vấn đề cần tiếp tục nghiên tối ưu càng cao. cứu trong dự án nghiên cứu này. 26
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT . SỐ 70 - 2009 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. H. Rohling, R. Grunheid; Performance comparison of different multiple access schemes for the downlink of an OFDM communication system; IEEE 47th Vehicular Technology Conference 1997, vol. 3, pp. 1365 – 1369, May 1997. 2. H. Yaghoobi; Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 WirelessMAN; Intel Technology Journal, vol. 8, no. 3, pp. 201-212, 2004. 3. IEEE802.16; Channel Models for Fixed Wireless Applications; IEEE 802.16.3c-01/29r4. 4. Van Duc Nguyen, Matthias Paetzold; Least Square Channel Estimation Using Special Training Sequences for MIMO-OFDM Systems in the Presence of Intersymbol Interference; Proc. Nordic Radio Symposium (NRS) 2004, including the Finnish Wireless Communications Workshop (FWCW) 2004, Oulu, Finland, 16. – 18. August 2004. 5. V. Erceg; An Empirically Based Path Loss Model for Wireless Channels in Suburban Environments; IEEE Journal on Selected Areas in Comm.} vol. 17, no. 7, pp. 1205-1211, July 1999. Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Văn Đức – Tel: 0982.244.811, Email: ducnv-fet@mail.hut.edu.vn Khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 27