- Nguyễn Văn Minh KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM CHO DỊCH VỤ VIDEO VÀ THOẠI TRÊN MẠNG 4G DỰA VÀO CÁC CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDMA KHOÁ 2011B LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG Hà Nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - Nguyễn Văn Minh CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM CHO DỊCH VỤ VIDEO VÀ THOẠI TRÊN MẠNG 4G DỰA VÀO CÁC CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN SỬ DỤNG KỸ THUẬT OFDMA Chuyên ngành : Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Tiến sĩ Trương Thu Hương Hà Nội –2014 Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1 MỤC LỤC MỤC LỤC. - Phân tập đa người dùng và điều chế thích nghi. - 52 Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2 2.4.3. - 72 Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Lịch sử mạng di động. - 10 Hình 1.2: Dự án 3G của ITU. - 11 Hình 1.3: Kiến trúc LTE. - 17 Hình 1.5 : Truyền dẫn đa điểm phối hợp. - 19 Hình 1.6: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced. - 21 Hình 1.7: FDMA. - 22 Hình 1.8: Kết hợp FDMA và TDMA. - 23 Hình 1.9: CDMA. - 24 Hình 1.10: Cấp phát sóng mang con trong OFDMA. - 25 Hình 1.11: OFDM với 256 sóng mang con và OFDMA với chỉ 64 trong số 256 sóng mang con được sử dụng. - 26 Hình 1.12: PDF của hmax. - 28 Hình 1.13: Cho K người dùng khác nhau, (a): dung lượng trung bình và (b) tỉ lệ bit lỗi của QPSK. - 29 Hình 1.14: Sơ đồ khối mã hóa và điều chế thích nghi. - 30 Hình 1.15: Thông lượng theo SINR. - 39 Hình 1.17: Mối quan hệ giữa. - 42 Hình 1.18: Lựa chọn MCS. - 44 Hình 2.1: Đánh giá theo hệ thị giác chủ quan của người sử dụng. - 50 Hình 2.2: Mô hình tham chiếu đầy đủ. - 53 Hình 2.3: Mô hình tham chiếu rút gọn. - 54 Hình 2.4: Mô hình không tham chiếu. - 54 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống. - 56 Hình 3.2: Sơ đồ thí nghiệm. - 64 Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4 Hình 3.12: Trễ 1 chiều trung bình cho gói tin TCP đường lên. - 70 Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Ý nghĩa của các ký hiệu. - 33 Bảng 2.1: Ánh xạ từ các tham số QoS sang QoE của dịch vụ truy nhập web sử dụng WAP/ xHTML trong mạng di động. - Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụ đa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữ liệu. - Trong vòng hai thập kỷ vừa qua, khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS: Quality of Service) đã được đưa vào nhận thức của đông đảo người sử dụng cũng như các nhà cung cấp và khai thác dịch vụ mạng. - Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 7 b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục đích: Đưa ra mối tương quan giữa chất lượng thoại và video qua mức độ chênh lệch các thông số như delay, packet loss khi sử dụng các thuật toán lập lịch, cấp phát tài nguyên vô tuyến. - Tìm hiểu một hệ thống thí nghiệm đã triển khai về đề tài đánh giá chất lượng trải nghiệm video qua mạng 4G LTE bằng phương pháp chủ quan từ người sử dụng. - e) Kết luận Trong một khoảng thời gian ngắn, việc nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở việc tìm hiểu lý thuyết về mạng 4G dựa vào các cơ chế điều khiển tài nguyên vô tuyến sử dụng kỹ thuật OFDMA và phân tích một công trình nghiên cứu về chất lượng dịch vụ trong mạng 4G LTE đã triển khai. - Nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cả về số lượng và chất lượng, các dịch vụđa phương tiện mới ngày càng đa dạng như: thoại, video, hình ảnh và dữliệu. - Người sử dụng sẵn sang trả nhiều hơn cho mạng truy cập có chất lượng tốt, băng thông cao. - Trong những năm qua, khái niệm QoS đã được đưa vào nhận thức của đông đảo người sử dụng cũng như các nhà cung cấp và khai thác dịch vụ mạng. - Một cách đơn giản nhất, chất lượng trải nghiệm QoE là nhận xét chủ quan của người sử dụng đánh giá về dịch vụ họ đang sử dụng. - Học viên thực hiện NGUYỄN VĂN MINH Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 10 CHƯƠNG I – GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. - Giới thiệu Lịch sử của mạng di động đã trải qua nhiều thế hệ mạng khác nhau, từ những ngày đầu (mạng thế hệ thứ 1) còn sử dụng công nghệ analog, đến thế hệ thứ 2 đánh dấu bước ngoặt của mạng di động khi công nghệ số được đưa vào mạng di động. - Nhưng nhu cầu và yêu cầu của người sử dụng ngày càng cao, mạng thế hệ thứ 3 cũng không thể đáp ứng tốt yêu cầu của người sử dụng, điều này đã hối thúc nhiều tổ chức trên thế giới phát triển một mạng thế hệ tiếp theo [2]. - Sự ra đời của hệ thống này mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch vụ, cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dich vụ âm thanh số. - Khi một trạm gốc quá tải, người dùng có thể kết nối tới công nghệ khác để có dịch vụ tương tự. - Ngoài ra, nếu người dùng yêu cầu mức chất lượng dịch vụ cao mà công nghệ mạng đang sử dụng không thể đáp ứng, họ có thể sử dụng công nghệ khác. - Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 13 1.1.4. - LTE sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM làm công nghệ truy nhập vô tuyến và các công nghệ antenna tiên tiến [4]. - Kiến trúc và khái niệm LTE-SAE được thiết kế để đủ hỗ trợ cho khả năng sử dụng lớn của bất kỳ một dịch vụ nền tảng IP nào. - Kiến trúc dựa trên sự tiến hóa của mạng lõi đang sử dụng trong mạng GSM/WCDMA, với sự vận hành đơn giản và nhuần nhuyễn, giá triển khai hợp lý. - Sử dụng linh hoạt băng tần đã dùng và những băng tần mới. - Kết quả đã chỉ ra rằng LTE phù hợp và ở một số trường hợp còn vượt chỉ tiêu đề ra cho tốc độ dữ liệu đỉnh, thông lượng người dùng ở biên cell và hiệu suất sử dụng băng thông, cũng như khả năng hoạt động của các dịch vụ MBMS [6]. - Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 15 Hình 1.3: Kiến trúc LTE Có hai nút trong mặt phẳng người dùng kiến trúc SAE: trạm gốc LTE (eNB) và nút cổng SAE (SAE-GW) như trên hình vẽ 1.3. - Máy chủ quản lý thuê bao (HSS) kết nối tới mạng lõi gói thông qua giao diện sử dụng giao thức Diameter chứ không dùng SS7 giống như trong mạng GSM và WCDMA. - Báo hiệu mạng để điều khiển các chính sách và thanh toán cước đang sử dụng giao thức Diameter. - Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 16 LTE-SAE có sử dụng khái niệm QoS theo lớp. - Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng “khối kết tập sóng mang” trong đó nhiều sóng mang thành phần LTE được kết hợp trên lớp vật lý để cung cấp độ rộng băng cần thiết. - Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 17 Hình 1.4 minh họa trường hợp các sóng mang thành phần liên tiếp nhau mặc dù ở khía cạnh băng gốc, điều này không phải là điều kiện tiên quyết. - Có thể thấy trước rằng hỗ Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 18 trợ ghép kênh theo không gian trên đường lên sẽ là một phần của LTE-Advanced. - Việc tăng số lớp truyền dẫn đường xuống vượt xa con số bốn là có khả năng và có thể được sử dụng như là phần bổ sung đối với sự tăng tốc đỉnh thông qua sự mở rộng băng tần. - Ở các mạng hiện tại, nhiều anten nằm phân tán về mặt địa lý kết nối đến một đơn vị xử lý băng gốc trung tâm được sử dụng nhằm đem lại hiệu quả về chi phí. - Ở đây, cùng sử dụng báo cáo đo đạc và xử lý ở bộ thu cho truyền dẫn đơn điểm. - Bởi vì các thiết bị đầu cuối không nhận biết được sự hiện diện của truyền dẫn đa điểm, các tín hiệu tham chiếu UE cụ thể (sẵn có ở Release đầu tiên của LTE) phải được sử dụng cho việc đánh giá kênh. - Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 19 Hình 1.5 : Truyền dẫn đa điểm phối hợp Ở phương án B, các thiết bị đầu cuối cung cấp thông tin phản hồi trạng thái kênh đến mạng cho tất cả các kênh đường xuống hiển thị đối với một thiết bị đầu cuối riêng, trong khi quá trình xử lí bộ thu vẫn giống như là cho truyền dẫn đơn điểm. - Có thể thực hiện tiền lọc tín hiệu truyền đi theo không gian đến một thiết bị riêng để giảm can nhiễu giữa những người sử dụng. - Loại truyền dẫn đa điểm phối hợp này nói chung có thể cung cấp các lợi ích tương tự như phương pháp A ở trên nhưng ngoài việc cải thiện độ mạnh tín hiệu mong muốn, nó còn cho phép phối hợp can nhiễu giữa những người sử dụng để cải thiện hơn nữa SNR. - Thông tin này có thể được sử dụng cho việc xử lý tín hiệu thu được ở phía thiết bị đầu cuối. - Ở nhiều khía cạnh, điều này tương tự như phân tập ô lớn, vốn đã sử dụng trong nhiều hệ thống mạng tế bào hiện nay. - Tuy nhiên, có thể xem xét các cấu trúc bộ lặp cao cấp hơn (chuyển tiếp L1), chẳng hạn sơ đồ trong đó mạng có thể điều khiển công suất truyền của bộ lặp, chẳng hạn, chỉ tích cực bộ lặp khi người sử dụng hiện diện trong khu vực được điều khiển bởi bộ lặp nhằm tăng tốc độ số liệu cung cấp trong khu vực. - Nút trung gian cũng có thể giải mã và tái mã hóa bất kì số liệu thu được, ưu tiên chuyển tiếp nó đến người sử dụng được phục vụ. - Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 21 Mặc dù giống nhau ở nhiều điểm cơ bản (chẳng hạn trễ, không khuếch đại tạp âm), giải pháp self back-hauling không yêu cầu bất kì nút, giao thức hoặc giao diện mới nào để chuẩn hóa bởi vì các giải pháp đang tồn tại được tái sử dụng và do đó có thể được ưa chuộng hơn trên các kỹ thuật cùng chức năng L2 của chúng. - Hình 1.6: Chuyển tiếp trong LTE-Advanced 1.2. - Cách thông thường nhất để chia các tài nguyên sẵn có cho nhiều người dùng khác nhau là sử dụng phân chia theo tần số, thời gian và theo mã. - Các hệ thống TDMA vô tuyến hầu hết cũng đều sử dụng FDMA theo nhiều cách khác nhau do việc sử dụng toàn bộ dải phổ điện từ là lãng phí và không hiệu quả. - Các hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trực giao (Code Division Multiple Access – CDMA) cho phép mỗi người dùng chia sẻ băng thông và các khe thời gian với nhiều người dùng khác và sử dụng các mã nhị phân trực giao để phân biệt những người dùng khác nhau. - Các hệ thống CDMA nói Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 22 chung bao gồm cả những hệ thống không sử dụng mã trực giao đều thực hiện chia sẻ về mặt thời gian và tần số [13]. - a) Đa truy nhập phân chia theo tần số Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) có thể được sử dụng trong các hệ thống OFDM bằng cách chia mỗi người dùng một tập các sóng mang con. - Ví dụ, trong hệ thống OFDM 64 sóng mang con, người dùng 1 có thể nhận các sóng mang con từ 1-16, với người dùng 2, 3 và 4 sẽ sử dụng các sóng mang con từ một cách riêng biệt. - Một cách tự nhiên, có thể cấp phát không đều số sóng mang hiện có cho những người sử dụng khác nhau như: cấp nhiều sóng mang hơn cho người dùng có nhu cầu tốc độ cao và ít sóng mang hơn cho người dùng có tốc độ thấp hơn [13]. - Hình 1.7: FDMA Để cải thiện việc cấp phát tĩnh, có thể sử dụng cấp phát động dựa trên điều kiện kênh truyền. - Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 23 b) Đa truy nhập phân chia theo thời gian Giống như đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) cũng có thể hỗ trợ nhiều người dùng. - Trong thực tế, các hệ thống sử dụng cả FDMA và TDMA do sẽ có nhiều người dùng trong hệ thống hơn số người dùng có thể sử dụng cùng một lúc trên một ký hiệu OFDM đơn. - Nhưng nói chung, một hệ thống như mạng 4G có thể sử dụng nhiều thuật toán lập lịch trình phức tạp dựa trên độ dài của hàng đợi, điều kiện kênh truyền và các yêu cầu về độ trễ để đạt được hiệu suất tốt hơn là TDMA tĩnh. - Trong hệ thống dựa trên nền gói, TDMA tĩnh thường sử dụng bộ lập lịch trình theo kiểu vòng tròn (Round-robin): mỗi người dùng đơn giản là đợi đến lượt để truyền. - c) Đa truy nhập phân chia theo mã Đa truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access -CDMA) là kỹ thuật đa truy nhập nổi bật trong các hệ thống mạng tế bào hiện tại nhưng không phù hợp cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao do trong CDMA băng thông sẽ lớn hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu được sử dụng với mục đích là để triệt nhiễu như trên Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 24 hình 1.9. - Trong đó có thể sử dụng tín hiệu trải phổ và phân biệt người dùng bằng các mã trong OFDM bằng cách trải tín hiệu theo miền thời gian hoặc tần số. - Hình 1.9: CDMA d) Ưu điểm của OFDMA OFDMA chủ yếu là sự kết hợp của FDMA và TDMA: những người dùng sẽ được cấp phát động các sóng mang con (FDMA) trong các khe thời gian khác nhau (TDMA) như trên hình 1.10 Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 25 OFDMA kế thừa các ưu điểm của OFDM đơn người dùng ở chỗ có thể giảm mạnh ảnh hưởng của hiện tượng đa đường và phân tập tần số. - Bằng cách chia toàn bộ băng thông giữa nhiều MS trong một cell, mỗi MS chỉ sử dụng một số sóng mang con nhỏ. - Hình 1.11 minh họa việc này. - Như trên hình vẽ thì tổng công suất đã sử dụng là như nhau nhưng OFDMA cho phép công suất đỉnh thấp hơn nhiều. - Tốc độ Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 26 dữ liệu thấp hơn và các cụm dữ liệu được quản lý hiệu quả hơn trong OFDMA nếu so với OFDM đơn người dùng hoặc với TDMA hay CSMA do thay vì phải phát ở mức năng lượng cao trên toàn bộ băng thông, OFDMA cho phép cùng một tốc độ dữ liệu được gửi qua một khoảng thời gian dài hơn sử dụng cùng một mức công suất tổng. - Hình 1.11: OFDM với 256 sóng mang con và OFDMA với chỉ 64 trong số 256 sóng mang con được sử dụng 1.2.2. - Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 27 a) Phân tập đa người dung Động lực chính cho việc cấp phát sóng mang con thích nghi trong các hệ thống OFDMA là việc sử dụng phân tập đa người dùng. - Đặc biêt, người ta đã chứng minh được rằng, sử dụng lý thuyết giá trị cực lớn, trong hệ thống K người dùng chỉ có tác động của fading Rayleigh, các tỉ lệ dung lượng trung bình là logK. - Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 28 Trong hệ thống 4G, độ lợi phân tập đa người dùng nói chung sẽ bị giảm xuống do ảnh hưởng của các nhân tố khác như phân tập không gian và sự cần thiết để gán các khối sóng mang liên tục cho nhiều người dùng. - Hình 1.12: PDF của hmax b) Điều chế và mã hóa thích nghi Các hệ thống sử dụng điều chế và mã hóa thích nghi để khắc phục vấn đề biến động của kênh truyền. - Các tốc độ dữ liệu thấp hơn có thể thực hiện bằng cách sử dụng chòm sao nhỏ như QPSK và các mã sửa lỗi tốc độ chậm như các mã Turbo hoặc mã xoắn tốc độ ½. - Nói chung, có 52 cấu hình tương ứng với các cách sắp xếp các kiểu điều chế và các loại mã hóa khác nhau có thể sử dụng cho hệ thống mặc dù hầu hết Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 29 các ứng dụng của 4G đưa ra chỉ sử dụng một phần trong số này. - Hình 1.13: Cho K người dùng khác nhau, (a): dung lượng trung bình và (b) tỉ lệ bit lỗi của QPSK Sơ đồ khối của hệ thống điều chế và mã hóa thích nghi (Adaptive Modulation Coding - AMC) được cho trên hình 1.13. - Phản hồi là một vấn đề quan trọng đối với điều chế và mã hóa thích nghi: Bên truyền cần biết thông số “SINR của kênh” у, được xác định bằng SINR уr bên nhận chia cho công suất phát Pt: уr = Pt.у Hình 1.14 cho thấy khả năng có thể có được hiệu suất cao về sử dụng phổ đối với 6 cấu hình cụm phổ biến. - Việc này cho phép thông lượng tăng khi SINR tăng theo xu hướng được đưa ra bởi công thức Shannon: C = log2 (1 +SNR) (1.3) Nguyễn Văn Minh – KTTT3 – 2011B Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 30 Hình 1.14: Sơ đồ khối mã hóa và điều chế thích nghi Trong trường hợp này, tốc độ dữ liệu thấp nhất là QPSK và các mã Turbo tốc độ ½. - cấu hình cụm cho tốc độ dữ liệu cao nhất là trường hợp sử dụng 64 QAM và tốc độ mã Turbo tốc độ ¾
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt