Luận án Nghiên cứu kỹ thuật lập lịch cho mạng thông tin di động thế hệ mới

g
ten phục vụ K thuê bao, mỗi thuê bao sử dụng một ăng ten. Trạm gốc sử
dụng mảng ăng ten hai chiều ULA. Kết quả cho thấy khi số lượng thuê bao
càng nhiều thì cách nhóm thuê bao càng hiệu quả [63].
• Kỹ thuật lập lịch sử dụng tính trực giao của kênh truyền
Trong bài báo [23], các tác giả đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng
bộ ADC phân giải thấp lên hệ thống mmWave theo đường lên. Việc này sẽ
gây sai số cho quá trình lượng tử hóa tín hiệu ở đầu ra của bộ tạo búp sóng
tương tự. Tác giả đã tính toán độ trực giao giữa các kênh truyền của thuê bao
xét tới yếu tố sử dụng bộ ADC phân giải thấp. Từ đó đề xuất kỹ thuật lập
lịch nhằm loại bỏ các thuê bao trong tập ứng cử viên mà không trực giao với
tập thuê bao lập lịch đã chọn. Kết quả mô phỏng chỉ rõ, dung lượng tổng hệ
thống có thể tiệm cận với dung lượng tổng của kỹ thuật MR [23]. Đây là kết
quả rất quan trọng nhằm thúc đẩy các nghiên cứu để xây dựng kỹ thuật lập
lịch trong các hệ thống khác sử dụng tính trực giao của kênh truyền.
1.7 Kết luận chương 1
Trong chương này, luận án đã trình bày những cơ sở lý thuyết nền tảng của hệ
thống thông tin di động 5G nói chung và một số kỹ thuật lập lịch tiêu biểu hiện
nay nói riêng cùng với hạn chế của các kỹ thuật này. Trên cơ sở đó, luận án đề ra
hướng nghiên cứu về kỹ thuật lập lịch gồm ba phần: (i) thứ nhất, luận án nghiên
37
cứu kỹ thuật lập lịch sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền để làm tăng dung
lượng toàn hệ thống và đảm bảo mọi thuê bao thỏa mãn yêu cầu về tốc độ tối
thiểu, (ii) thứ hai, luận án phát triển kỹ thuật lập lịch có thể đảm bảo cho các
thuê bao có thể có nhiều tốc độ tối thiểu khác nhau, cũng như sử dụng các tham
số về độ ưu tiên hoặc độ rớt gói, thay vì chỉ dừng lại ở tham số về độ trễ như các
nghiên cứu hiện nay, (iii) thứ ba là luận án nghiên cứu kỹ thuật lập lịch sử dụng
đặc tính trực giao kênh truyền của mạng thông tin di động cỡ rất lớn để giảm thời
gian xác định tập thuê bao phục vụ.
38
Chương 2
Kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối
thiểu của thuê bao dựa trên thông tin
lão hóa kênh truyền
Trong chương này luận án sẽ trình bày mô hình hệ thống về vấn đề lão hóa kênh
truyền, kỹ thuật ước lượng kênh truyền lão hóa và tốc độ có thể đạt được khi sử
dụng hai phương pháp tiền mã hóa là MRT và ZF. Từ đó đề xuất kỹ thuật lập
lịch sao cho việc sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền vẫn đảm bảo được tốc độ
tối thiểu cho thuê bao, hơn nữa là không ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của
các thuê bao khác. Đây là điểm khác biệt so với kỹ thuật lập lịch sử dụng thông
tin lão hóa kênh truyền ở [40].
2.1 Ý tưởng kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu cho thuê
bao khi sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền
Hệ thống thông tin di động Multiple Input Multiple Output - nhiều ăng ten thu
nhiều ăng ten phát (MIMO) cỡ rất lớn là một kỹ thuật mang tính quyết định để
đạt được dung lượng lớn cho các mạng thông tin di động 5G. Ý tưởng của kỹ
thuật này là sử dụng số lượng lớn ăng ten tại trạm gốc để phục vụ nhiều thuê bao
đồng thời, mà trong đó mỗi thuê bao chỉ có vài ăng ten. Thông thường, mỗi trạm
39
gốc sẽ có hàng trăm ăng ten để cung cấp kết nối cho vài chục thuê bao với mỗi
thuê bao chỉ sử dụng một ăng ten. Dung lượng hệ thống thông tin di động nhiều
ăng ten cỡ rất lớn tỉ lệ thuận với số lượng ăng ten tại trạm gốc và tại thuê bao
[53]. Dung lượng tối ưu có thể đạt được khi kỹ thuật mã hóa DPC được sử dụng
[25]. Hơn nữa sử dụng các kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính đơn giản như MRT
hoặc ZF cũng có thể đạt được hiệu năng tối ưu khi số ăng ten của trạm gốc rất
lớn [30, 34]. Mặc dù các ưu điểm của hệ thống MIMO cỡ rất lớn là rất rõ ràng
nhưng nó vẫn còn các thách thức phải xử lý nếu muốn đạt hiệu suất tối ưu.
Để đạt được dung lượng lớn của hệ thống đòi hỏi trạm gốc phải có được CSI
chính xác để thực hiện tiền mã hóa trước khi truyền dữ liệu. Ở chế độ Frequency
Division Duplex - ghép kênh phân chia theo tần số (FDD) thì lượng dữ liệu hoa
tiêu tỉ lệ với số lượng ăng ten tại trạm gốc, trong khi đó ở chế độ TDD thì lượng
dữ liệu hoa tiêu tỉ lệ với số lượng thuê bao. Vì vậy nhiều nghiên cứu đã sử dụng
chế độ hoạt động TDD trong nghiên cứu của mình [46, 43, 64, 36]. Trong chế độ
TDD, thông tin trạng thái kênh truyền CSI được ước lượng trong giai đoạn truyền
dẫn đường lên. Trạm gốc sẽ lựa chọn một tập thuê bao có mặt trong tế bào để
phục vụ trong giai đoạn truyền dẫn đường xuống. Quá trình này gọi là lập lịch và
hiện nay có rất nhiều kỹ thuật lập lịch khác nhau hướng đến các mục tiêu khác
nhau.
Để tăng tốc độ của thuê bao cũng như tốc độ tổng của toàn hệ thống, quá trình
lập lịch sẽ lựa chọn các thuê bao có độ lợi kênh truyền tốt nhất và yêu cầu công
suất nhỏ nhất trong chu kỳ khung để phục vụ [57, 17, 5]. Kỹ thuật này gọi là tối
đa hóa tốc độ. Nhược điểm của kỹ thuật này là các thuê bao có độ lợi kênh truyền
kém sẽ gần như không được phục vụ và điều này thì rất khó chấp nhận khi nhìn
từ góc độ của người dùng. Một kỹ thuật khác để tối ưu tốc độ hệ thống là sử dụng
40
điều khiển công suất, theo đó thì công suất phát cho các thuê bao có độ lợi kênh
truyền kém sẽ được tăng lên và công suất của các thuê bao có độ lợi kênh truyền
tốt sẽ giảm đi [65]. Một bài báo khác thì quan tâm về tổng công suất sử dụng khi
nghiên cứu về hiệu quả sử dụng năng lượng và phổ tần số hơn là tối ưu công suất
của từng thuê bao cụ thể [47]. Để giải quyết nhược điểm của phương pháp tối đa
hóa tốc độ thì phương pháp công bằng theo tỷ lệ tiến hành xem xét lưu lượng đã
sử dụng trong quá khứ của thuê bao để cố gắng tạo ra một tốc độ bằng nhau giữa
các thuê bao. Mục tiêu của phương pháp này là duy trì một sự công bằng giữa
các thuê bao [3].
Bởi vì số lượng thuê bao được ước lượng kênh là có giới hạn khi so sánh với số
lượng ăng ten để tối ưu hiệu quả sử dụng phổ tần [42, 15, 12] nên số lượng thuê
bao được phục vụ cũng bị hạn chế. Hơn nữa, việc nhóm các thuê bao và nhóm các
ăng ten cũng được cân nhắc để cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần [37, 63, 13].
Các tác giả trong [66, 58] thì tìm kiếm việc tiết kiệm tài nguyên nhờ sử dụng lại
các chuỗi tín hiệu hoa tiêu. Một cách khác để tăng dung lượng của hệ thống là
phục vụ thêm các thuê bao mà không cần tốn thêm tài nguyên cho việc ước lượng
kênh của các thuê bao này. Thông tin CSI hiện thời của các thuê bao này được
ước lượng bằng lượng kênh truyền biến thiên so với thông tin CSI được lưu giữ
trước đó. Hiện tượng này được gọi là lão hóa kênh truyền và đã thu hút được rất
nhiều sự quan tâm của giới nghiên cứu [60, 49, 33, 35].
Trong [40], tác giả đề xuất một kỹ thuật lập lịch sử dụng thông tin lão hóa kênh
để tăng độ lợi ghép kênh không gian bằng cách phục vụ thêm nhiều thuê bao mà
không cần tăng thông tin ước lượng kênh. Bên cạnh đó, lớp vật lý của mạng vô
tuyến 5G sẽ hỗ trợ QoS để đảm bảo chất lượng dịch vụ từ mạng lõi tới tận thuê
bao [1]. Đặc biệt, trạm gốc gNB sẽ phải đảm bảo tốc độ tối thiểu cho các luồng
41
dữ liệu có Guaranteed Flow Bit Rate - tốc độ luồng bit được đảm bảo (GFBR) để
phục vụ các kết nối có Guaranteed Bit Rate- tốc độ bit được đảm bảo (GBR) [2].
Từ các yếu tố này, luận án đề xuất một kỹ thuật lập lịch sử dụng thông tin
lão hóa kênh truyền, gọi là QoS-Aware, kỹ thuật khai thác thông tin lão hóa kênh
không chỉ nhằm mục tiêu tăng dung lượng hệ thống mà còn hỗ trợ QoS bằng việc
đảm bảo rằng mọi thuê bao sẽ được đảm bảo một tốc độ tối thiểu GFBR. Hiệu
năng của QoS-Aware được đánh giá về mặt dung lượng hữu ích (tổng dung lượng
của các thuê bao thỏa mãn yêu cầu tốc độ tối thiểu) và dung lượng không hữu
ích (tổng dung lượng của các thuê bao không được thỏa mãn tốc độ tối thiểu), số
lượng thuê bao có dung lượng hữu ích và không hữu ích, và được so sánh với kỹ
thuật áp dụng tại [40]. Kết quả mô phỏng cho thấy kỹ thuật đề xuất có thể đảm
bảo được tốc độ tối thiểu cho thuê bao và có dung lượng hữu ích cao hơn dung
lượng hữu ích của kỹ thuật trong [40].
2.2 Mô hình hệ thống
Mô hình hệ thống được nghiên cứu là một tế bào đa người dùng Massive MIMO
bao gồm một trạm gốc BS và nhiều thuê bao, với mỗi thuê bao có một ăng ten.
Ký hiệu Ka = {1, 2, · · · , Ka} là tập các thuê bao này, trong đó Ka là tổng số thuê
bao. Trạm gốc BS được trang bị M ăng ten, với M ≥ Ka. Để cho đơn giản, giả
thiết rằng BS biết mọi thuê bao đều được mong muốn phục vụ trong các chu kỳ
khung được xem xét.
Hệ thống hoạt động ở chế độ TDD và tính thuận nghịch của kênh truyền là
hoàn hảo. Ký hiệu T là khoảng thời gian của một chung kỳ khung. Trong mỗi
khung τp tín hiệu đầu tiên được sử dụng để ước lượng kênh và (T − τp) tín hiệu
còn lại được sử dụng để truyền dữ liệu chiều xuống.
42
Luận án giả thiết rằng kênh truyền là phẳng trong miền tần số và là hằng số
trong mỗi chu kỳ khung. Ký hiệu gk[n] ∈ CM×1 là hệ số kênh truyền fa đinh nhanh,
giá trị này thay đổi giữa các khung thời gian. Để phân tích thì luận án sử dụng mô
hình kênh Rayleigh fa đinh với giá trị của gk[n] ∈ CM×1 là phân bố độc lập (i.i.d.)
tuân theo phân bố Gauss với trung bình không và phương sai đơn vị. Ký hiệu
βk là hệ số fa đinh chậm của kênh truyền của thuê bao k ∈ Ka đối với trạm gốc
BS, giá trị này không thay đổi trong các chu kỳ khung được xem xét. Hệ số kênh
đường lên của thuê bao k ∈ Ka được xác định bởi hk[n] =
√
βkgk[n] ∈ CM×1.
Ở đây giả thiết rằng véc tơ hệ số kênh truyền thay đổi giữa các chu kỳ khung
do hiện tượng lão hóa kênh truyền. Để tiện tính toán thì mối quan hệ giữa hai véc
tơ hệ số kênh truyền giữa hai chu kỳ khung liên tiếp được thể hiện theo [40]
hk[n] = αkhk[n− 1] + ek[n], (2.1)
trong đó αk là hệ số tự tương quan tạm thời của thuê bao k, hk[n− 1] là véc tơ
hệ số kênh truyền trong khung trước đó của thuê bao k, và ek[n] là sự biến đổi hệ
số kênh truyền không tương quan do hiện tượng lão hóa kênh truyền. Về nguyên
tắc, αk phụ thuộc vào môi trường địa lý, tốc độ di chuyển của thuê bao và đặc
tính của ăng ten [32]. Để cho đơn giản, giả thiết rằng αk không thay đổi trong các
khung được xem xét với mọi thuê bao k ∈ Ka.
2.3 Ước lượng kênh truyền
Ở giai đoạn ước lượng kênh truyền của khung n, trạm gốc BS lựa chọn ngẫu nhiên
một lượng cố định Kp thuê bao từ tập Ka thuê bao theo cách tuần tự cho mục
đích ước lượng kênh truyền. Ký hiệu Kp[n] ∈ Ka là tập thuê bao được lựa chọn tại
khung n. Sau khi được thông báo, các thuê bao này sẽ truyền đồng thời các chuỗi
hoa tiêu trực giao từng đôi xác định trước có chiều dài τp ≥ Kp với cùng một công
43
suất pp. Ký hiệu v
H
k [n] ∈ C1×τp là chuỗi hoa tiêu gửi bởi thuê bao k ∈ Kp[n]. Tín
hiệu hoa tiêu nhận được tại trạm gốc BS là
Yr[n] =
∑
k∈Kp
√
τppphk[n]v
H
k [n] + Z[n], (2.2)
trong đó pp là công suất phát trung bình tại mỗi thuê bao, Z[n] ∈ CM×τp là ma
trận nhiễu trắng Gauss với các hệ số có phân bố độc lập CN (0, σ2r IM). Giá trị
ước lượng MMSE của hk[n] được tính bằng [27]:
hˆk[n] =
√
τppp
σ2r + τppp
Yr[n]vk[n]. (2.3)
Hơn nữa, vì nguyên tắc trực giao của ước lượng MMSE, hk[n] có thể được tách
ra thành hai thành phần không tương quan như sau [40]
hk[n] = hˆk[n] + h˜k[n], (2.4)
trong đó h˜k[n] là véc tơ lỗi ước lượng không tương quan. h˜k[n] là một véc tơ có
các giá trị phân bố độc lập CN (0, ξkIM), ξk = τpppβ
2
k
τpppβk+σ
2
r
.
2.4 Truyền dữ liệu chiều xuống
Sau giai đoạn ước lượng kênh truyền, trạm gốc BS lựa chọn tập thuê lập lịch
Ks(Ks ≥ Kp) để truyền dữ liệu. Ký hiệu x[n] ∈ CKs×1 là véc tơ tín hiệu cho Ks
thuê bao và E {||x[n]||2} = 1. Trạm gốc BS sử dụng một ma trận tiền mã hóa
tuyến tính F ∈ CM×Ks, đó là một hàm được tính toán từ kênh truyền Hˆ[n] để
gán dữ liệu cần truyền x[n] vào các ăng ten phát. Công suất được sử dụng cho
thuê bao k là pk[n] với điều kiện giới hạn về công suất
Ks∑
k=1
|fk[n]|2 pk[n] ≤ P . Tín
44
hiệu nhận được tại thuê bao k có thể được viết lại thành:
yk[n] = h
T
k [n]fk[n]
√
pk[n]xk[n]
+
Ks∑
l=1,l 6=k
hTk [n]fl[n]
√
pl[n]xl[n] + nk
= E{hTk [n]fk[n]}
√
pk[n]xk[n]
+
Ks∑
l=1
hTk [n]fl[n]
√
pl[n]xl[n]
− E{hTk [n]fk[n]}
√
pk[n]xk[n] + nk, (2.5)
trong đó hk[n] là véc tơ kênh truyền của thuê bao k, và fk[n] là cột thứ k của ma
trận F[n].
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SINR của thuê bao k có thể được viết lại thành:
γk[n] =
pk[n]|φk|2
Ks∑
l=1
pl[n]E{|hTk [n]fl[n]|2} − pk[n]|φk|2 + σ2
, (2.6)
trong đó φk = E{hTk [n]fk[n]}.
Tốc độ có thể đạt được của thuê bao k là
Rk[n] = log2(1 + γk[n]). (2.7)
Tốc độ tổng của hệ thống là
Rsum[n] =
Ks∑
l=1
log2(1 + γk[n]). (2.8)
2.5 Lão hóa kênh truyền
Sự biến thiên về kênh truyền xảy ra đối với tập thuê bao còn lại Kr[n] = Ka\Kp[n]
do sự khác nhau về mặt thời gian giữa thời điểm ước lượng kênh và thời điểm sử
dụng kênh truyền để truyền dữ liệu chiều xuống. Luận án định nghĩa hệ số biến
45
đổi kênh truyền δk[n] dùng để đo lường sự biến đổi kênh truyền giữa khung thời
gian cuối cùng lk mà kênh truyền của thuê bao k được ước lượng và khung thời
gian hiện tại n [40]
δk[n] = αk
n−lk (2.9)
hk[n] = δk[n]hˆk[lk] + e˜k[n], (2.10)
trong đó, e˜k[n] = δk[n]h˜k[lk] +ek[n] là phân bố độc lập đều với trung bình không
và phương sai (βk − δ2k[n]ξk).
2.6 Tốc độ tổng có thể đạt được với hiện tượng lão hóa kênh
truyền
Luận án nghiên cứu tốc độ tổng chiều xuống có thể đạt được khi sử dụng thông
tin lão hóa kênh truyền CSI để lập lịch. Giá trị ước lượng hiện thời CSI hˆk[n] của
thuê bao k được tính từ giá trị ước lượng kênh lần cuối hˆk[lk] tại khung thời gian
lk.
hˆk[n] = δkhˆk[lk]. (2.11)
Tín hiệu nhận được của thuê bao k là
yk[n] = hˆ
T
k [n]F[n]Px[n] + e˜k[n]F[n]Px[n] + nk[n]
= hˆTk [n]fk[n]
√
pkxk[n]
+
Ks∑
l=1,l 6=k
hˆTk [n]fl[n]
√
plxl[n]
+ e˜k[n]F[n]Px[n] + nk
= E{hˆTk [n]fk[n]}
√
pkxk[n] + k[n], (2.12)
trong đó k[n] =
Ks∑
l=1
hˆTk [n]fl[n]
√
plxl[n]
− E{hˆTk [n]fk[n]}
√
pkxk[n] + e˜k[n]F[n]Px[n] + nk[n].
46
2.6.1 Tiền mã hóa MRT
Ma trận tiền mã hóa được xây dựng bằng
F[n] = Hˆ∗S[n]. (2.13)
E{hˆTk [n]hˆ∗k[n]} = ξkδ2k[n]M. (2.14)
E{|hˆTk [n]hˆ∗k[n]|2} = ξ2kδ4k[n](M 2 +M). (2.15)
E{|hˆTk [n]hˆ∗l [n]|2} = ξkδ2k[n]ξlδ2l [n]M. (2.16)
E{|e˜k[n]Hˆ∗S[n]Px[n]|2} = (βk − δ2k[n]ξk). (2.17)
Kết quả là,
γMRTk [n] =
pkξ
2
kδ
4
k[n]M
2
Ks∑
l=1
ξkδ2k[n]plξlδ
2
l [n]M + (βk − δ2k[n]ξk + σ2)
. (2.18)
2.6.2 Tiền mã hóa ZF
Đối với tiền mã hóa ZF, ma trận tiền mã hóa được xây dựng bằng
F[n] = Hˆ∗S[n](Hˆ
T
S [n]Hˆ
∗
S[n])
−1. (2.19)
E{hˆTk [n]hˆ∗k[n](hˆTk [n]hˆ∗k[n])−1} = 1. (2.20)
E{|hˆTk [n]hˆ∗k[n](hˆTk [n]hˆ∗k[n])−1|2} = 1
+
(βk − δ2kξk)
δ2kξk(M −Ks)
. (2.21)
E{|hˆTk [n]hˆ∗l [n](hˆTl [n]hˆ∗l [n])−1|2} =
(βk − δ2kξk)
δ2l ξl(M −Ks)
,
l 6= k (2.22)
E{|e˜k[n]F[n]Px[n]|2} = (βk − δ2k[n]ξk). (2.23)
47
Kết quả là
γzfk [n] =
pk(M −Ks)
Ks∑
l=1
pl(βk−δ2k[n]ξk)
δ2l [n]ξl
+ ϕ(M −Ks)
,
ϕ = (βk − δ2k[n]ξk + σ2). (2.24)
2.7 Kỹ thuật lập lịch đề xuất QoS-Aware
Sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền CSI có thể làm tăng độ lợi về ghép kênh
nhưng nó có thể dẫn tới tốc độ trung bình của thuê bao bị giảm dần và có thể
không đảm bảo yêu cầu về tốc độ tối thiểu của thuê bao theo các cam kết về chất
lượng dịch vụ QoS. Để giải quyết vấn đề này, luận án đề xuất một kỹ thuật lập
lịch không những phục vụ được nhiều thuê bao hơn để tăng độ lợi về ghép kênh
mà còn đảm bảo tốc độ tối thiểu của thuê bao nhằm thỏa mãn các yêu cầu về
chất lượng dịch vụ QoS. Ý tưởng chính của kỹ thuật đề xuất là kiểm soát tốc độ
có thể đạt được của các thuê bao được phục vụ và các thuê bao đang được xem
xét phục vụ để đảm bảo việc thêm các thuê bao mới này vào nhóm lập lịch vẫn
đảm bảo yêu cầu về tốc độ tối thiểu của mỗi thuê bao.
Bước tiếp theo là xác định đối tượng của việc lập lịch và các ràng buộc của nó.
Trạm gốc BS thu thập thông tin trạng thái kênh truyền Hˆ, tổng công suất phát
P và yêu cầu về tốc độ tối thiểu T của các thuê bao được phục vụ theo các yêu
cầu về QoS. Dựa trên thông tin thu thập được, kỹ thuật lập lịch tối đa hóa tốc độ
tổng của toàn hệ thống bằng cách lựa chọn ra tập thuê bao tối ưu nhất Ks[n] từ
tập thuê bao được ước lượng kênh Kp[n] và thông tin lão hóa kênh truyền trong
48
mỗi chu kỳ khung.
max
Ks[n]∈Ka
Ks∑
k=1
log2(1 + γk[n])
s.t
Ks∑
k=1
|fk|2 pk ≤ P
log2(1 + γk[n]) ≥ T
(2.25)
Như thuật toán 1, kỹ thuật lập lịch bao gồm bốn phần: Ước lượng hệ số biến đổi
kênh truyền giúp BS ước lượng sự biến đổi về kênh truyền của mỗi thuê bao tính
từ lần ước lượng CSI cuối cùng, Lựa chọn tập thuê bao hoa tiêu lựa chọn một tập
thuê bao Kp[n] để ước lượng kênh, Ước lượng kênh truyền sẽ thực hiện việc ước
lượng kênh cho tập thuê bao Kp[n] , và Lựa chọn tập thuê bao phù hợp sẽ cho
phép thêm nhiều thêm bao được phục vụ dựa trên thông tin lão hóa kênh truyền
để tăng độ lợi về ghép kênh nhưng vẫn đảm bảo tốc độ tối thiểu của thuê bao.
Algorithm 1 Kỹ thuật lập lịch QoS-Aware
1: Ước lượng hệ số biến đổi kênh truyền
δk[n] = αk
n−lk ,∀k ∈ Ka
2: Lựa chọn tập thuê bao hoa tiêu
Kp[n] từ tập Ka
3: Ước lượng kênh truyền
Cập nhật (lk, hˆk[lk], n, hˆk[n]) cho thuê bao k ∈ Kp[n]
4: Lựa chọn tập thuê bao phù hợp Ks[n]
5: Truyền dữ liệu chiều xuống cho tập Ks[n]
Sau mỗi thủ tục ước lượng kênh và cập nhật thông tin trạng thái kênh truyền
cho tập thuê bao Kp[n], trạm gốc BS sẽ chọn ra tập thuê bao phù hợp để tăng
được dung lượng hệ thống nhưng vẫn thỏa mãn được tốc độ tối thiểu cho từng
thuê bao. Ở đây ký hiệu Ks[n] là tập thuê bao được lập lịch và Kc[n] là tập thuê
bao ứng cử viên. Để xác định xem thuê bao k có được lập lịch hay không, tại
khung thời gian n tốc độ Rl của thuê bao l ∈ {k
⋃
Ks[n]} phải cao hơn tốc độ
tối thiểu T . Nếu tất cả thuê bao đều thỏa mãn yêu cầu về QoS thì chúng ta sẽ
kiểm tra xem liệu việc thêm thuê bao k có giúp làm tăng dung lượng hệ thống
49
hay không Rpc(k
⋃
Ks[n]) > Rsum. Cuối cùng, nếu tồn tại thuê bao phù hợp nhất
k trong tập Kc[n] thỏa mãn cả hai điều kiện trên thì thuê bao k sẽ được chuyển
sang tập Ks[n]:
Ks[n] = kbest
⋃
Ks[n]
Kc[n] = Kc[n] \ {kbest}
Trạm gốc sẽ lặp lại những thủ tục này cho đến khi không còn thuê bao nào thỏa
mãn được điều kiện. Chi tiết quá trình Lựa chọn tập thuê bao phù hợp này được
miêu tả chi tiết trong thuật toán 2.
Algorithm 2 Lựa chọn tập thuê bao phù hợp
1: Ks[n] = ∅,Kc[n] = Ka, Rsum = 0
2: morevaliduser = 1
3: while morevaliduser do
4: kbest ← 0
5: for user k ∈ Kc[n] do
6: QoScheck = 1
7: for user l ∈ {k⋃Ks[n]} do
8: Calculate γl[n] follow MRT or ZF
9: Rl = log2(1 + γl[n])
10: if Rl < T then
11: QoScheck = 0
12: end if
13: end for
14: if (Rpc(k
⋃
Ks[n]) > Rsum) and (QoScheck) then
15: kbest ← k
16: Rsum ← Rpc(k
⋃
Ks[n])
17: end if
18: end for
19: if kbest 6= 0 then
20: Ks[n] = kbest
⋃
Ks[n]
21: Kc[n] = Kc[n] \ {kbest}
22: else
23: morevaliduser = 0
24: end if
25: end while
50
2.8 Kết quả mô phỏng
Để đo lường hiệu quả của kỹ thuật QoS-Aware, nhiều trường hợp mô phỏng đã
được thực hiện trên nền hệ thống Massive MIMO bằng phần mềm Matlab để so
sánh giữa các kỹ thuật lập lịch sau:
• Kỹ thuật Non-QoS (OpSac trong [40]).
• Kỹ thuật toán QoS-Aware.
Luận án tập trung so sánh dung lượng hữu ích, đây là tổng dung lượng của các
thuê bao trong đó tốc độ của thuê bao cao hơn tốc độ yêu cầu tối thiểu, và ngược
lại thì gọi là dung lượng không hữu ích. Trong các tình huống mô phỏng, các tham
số mô phỏng được mặc định như sau: độ dài chuỗi tín hiệu hoa tiêu τp = Kp,
và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của đường lên và đường xuống là SINRr = 20 dB,
SINR = 30 dB. Kịch bản mô phỏng là tăng dần số lượng ăng ten để đánh giá
hiệu quả của kỹ thuật đề xuất đối với dung lượng hữu ích, dung lượng không hữu
ích và số lượng thuê bao được phục vụ trong cả hai kỹ thuật tiền mã hóa ZF và
MRT.
Hình 2.1 so sánh dung lượng hữu ích giữa QoS-Aware và Non-QoS khi số lượng
ăng ten của trạm gốc BS tăng dần và Ka = 40 cho các trường hợp tốc độ tối
thiểu khác nhau là T = 0.1, 1 và 2 (bit/s/Hz). Cả hai kỹ thuật đều sử dụng tiền
mã hóa MRT. Có thể thấy rằng dung lượng hữu ích của hệ thống tăng dần khi
số lượng ăng ten tại trạm gốc M tăng lên. Hơn nữa, dung lượng hữu ích của kỹ
thuật QoS-Aware luôn cao hơn dung l