Tác giả: Phạm Văn Hiệp

(Wide-Band TD-CDMA MAC With Minimum-Power Allocation and Rate - and BER-Scheduling for Wireless Multimedia Networks)

 

Abstract: Ý tưởng giới thiệu về thủ tục truy nhập  đa phương tiện (MAC) của hệ thông băng thông rộng đa truy nhập theo mã và thời gian. Xây dựng thuật toán  về việc điều khiển công suất cực tiểu  , nhằm  mục đích hạn chế tối đa hiện tượng nhiễu bằng kênh mã hoá và đã đáp ứng được các yêu cầu về tỷ lệ lỗi bit thông tin trong truyền dẫn thông tin. Hơn thế nữa, từ kết quả phân tích hiệu suất cực đại trong các khe thời gian khác nhau cho thấy việc xây dựng lịch trình xử lý  BER và tốc độ là rất cần thiết để đạt được hiệu suất cực đại. Dựa trên các thuật toán điều khiển công suât cực tiểu cũng như các khái niệm về thiết lập các lịch trình xử lý BER và tốc độ, một sơ đồ về lịch trình xử lý mới cũng đã được đưa ra nhằm cung cấp dữ liệu với thuật toán BER và yêu cầu về chất lượng dịch vụ trong các  khe thời gian khác nhau. Nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả  của các thủ tục MAC, hệ thống điều khiển kết nối (CAC) được phát triển dựa trên thuật toán điều khiển công suất cực tiểu. Các kết quả tương tự cũng cho thấy rằng thủ tục MAC cho hệ thống băng thông rộng TD-CDMA  có thể đáp ứng các yêu cầu chất lượng dịch vụ về truyền dẫn thông tin và hiệu suất sử dụng kênh.

 

Thuật ngữ viết tắt:

1.BER                         –          Tỷ lệ lỗi các bit thông tin

2. MAC           -           Hệ thống truy nhập truyền thông đa phương tiện

3.QoS              -           Chất lượng dịch vụ

4. TD-CDMA  -          Hệ thống đa truy nhập theo thời gian và theo mã

5. CAC            -           Điều khiển kết nối

 

Phần I:Giới thiệu.

 Công suất của hệ thống CDMA thay đổi theo các mức độ nhiễu do các kênh mã hóa khác nhau. Để tối ưu công suất của các hệ thống như chống nhiễu, cần tối ưu hoá công suất cung cấp cho các kênh mã hoá. Vì vậy, các sơ đồ của các gói thông tin và các thuật toán điều khiển trong hệ thống điều khiển truy nhập của hệ thống truy nhập truyền thông đa phương tiện cần phải tối thiểu hoá công suất cung cấp cho mỗi kênh mã hoá. So với hệ thống CDMA băng thông hẹp thì hệ thống CDMA băng thông rộng có khả năng truyền thông tin lớn hơn nhiều và có thể đáp cung cấp dịch vụ truyền thông chất lượng cao.  Giao thức MAC hiện tại gặp phải rất nhiều thách thức do tỷ lệ lỗi các bit thông tin (BER) và yêu cầu chất lượng của dịch vụ băng thông rộng CDMA. Trong bài viết này  giới thiệu giao thức MAC mới cho hệ thống truyền thông không dây (TD-CDMA) phân chia theo thời gian và theo mã băng thông rộng nhằm giảm công suất cho các kênh mã. Trong thuật toán này  chuyển tham số nhiễu trong tế bào ,giữa các tế bào và fading của kênh vào một account. Yêu cầu  về  BER trong truyền thông đa phương tiện được bảo đảm bằng cách đáp ứng yêu cầu về giá trị SINR của dịc vụ khác. Chính vì vậy thuật toán về điều khiển công suất cực tiểu không  dựa trực tiếp trên giao thức BER,  thiết lập mối quan hệ giữa các giá trị SINR và các yêu cầu về BER bằng sơ đồ điều khiển lỗi và fading kênh. Khác với thuật toán điều khiển công suất cấp phát cực tiểu khác, thuật toán mới  dựa trên các yêu cầu về BER trong dịch vụ truyền thông đa phương tiện và các kênh mã trong thiết bị đầu cuối di động. Thuật toán điều khiển công suất cực tiểu mới ứng dụng trên cách phân tích hiệu suất  sử dụng băng thông  và thiết bị đầu cuối di động được sử dụng rộng rãi. Dựa trên thuật toán điều khiển công suất cực tiểu mới phân tích năng lực lớn nhất của một khe thời gian và  đưa ra kết luận về lịch trình truyền các gói tin  dựa trên  cả hai tham sô lịch trình về xử lý tốc độ kết nối và  BER nhằm đạt được  hiệu suât lớn nhất  trong khe thời gian.

 Hình 1

Bài viết này được thiết kế như sau:

Phần II Thủ tục MAC mới.

A. Mô hình hệ thống.

TD-CDMA băng thông rộng có các đặc điểm sau:

• Đa chuyển mạch điểm giữa  đường lên và đường  xuống:  Do chế độ của TDD hiện tượng ngắt đoạn từ trước đến nay là do sự truyền dẫn thông tin lên, xuống không tích hợp trong các tế bào khác nhau. Vì vậy sử dụng các thuật toán trong các kênh thường được sử dụng để xác định các điểm chuyển đổi giữa kết nối đường lên và đường xuống chính vì vậy hiện tượng ngắt quãng được hạn chế.
• Cấu trúc điều khiển công suất vòng mở trong đường lên:Từ khi mô hình TDD được sử dụng trong hệ thống băng thông rộng TD-CDMA, hiện tượng mất đường trong đường lên có thể đo từ các tín hiệu của đường  xuống. Chính vì vậy điều khiển công suất vòng mở thích nghi  trong đường lên.

• Truyền thông tin không liên tục: Một kênh mã  không thể truyền gói trong tất cả các khe thời gian của một khung. Cùng một kênh mã trong các khe thời gian khác nhau có thể được định vị từ các các thiết bị đầu cuối khác nhau. Khung cấu trúc của hệ thống TD-CDMA băng thông rộng được miêu tả trong (hinh1). Trong đó đường lên và xuống được ghép vào các khe thời gian khác nhau. Nhìn chung , tải của đường lên và đường xuống là bất đối xứng, và tồn tại các điểm chuyển mạch giữa đường lên và xuống. Các kênh mã  cùng tồn tại trong cùng 1 khe thời gian và mỗi kênh mã gồm 2 trường dữ liệu. Áp dụng đa mã hoá cho cả đường truyền lên và đường truyền xuống. Sự thay đổi về tốc độ truyền của các thiết bị đầu cuối di động nhờ việc thay đối số lượng kênh mã sử dung cho thiết bị đầu cuối. Trong thuật toán đa mã (MC), mã của các thiết bị đầu cuối di động được tạo ra bởi các ghép nối mã hoá. Chính vì vậy mà hiện tượng ngắt quãng trên cùng user có thể tránh được.

B. Những thủ tục chính.

Các bước truyền thông tin lên của giao thức MAC mới được thể hiện trong (Hình2). Do đặc điểm tự nhiên của thông tin đại chúng, sự tương tự nhưng các thao tác đơn giản hơn có thể được ứng dụng trong đường truyền dữ liệu xuống. Số lượng kênh mã hoá tối đa có thể sử dụng trong một quãng thời gian được quyết định bởi thuật toán điều khiển điện năng cực tiểu (DCA) và thuật toán này cũng xác định điểm chuyển tiếp giữa truyền dữ liệu lên và xuống. Các đơn vị dữ liệu thông tin A MAC trong DCHs, BCH hay RACH được sử dụng trong kênh mã hoá trong các quãng thời gian thông qua các quá trình như CRC, mã hóa kênh…Giao thức MAC bao gồm các chức năng chính sau:

Điều khiển đầu vào: Bước này chỉ áp dụng cho các thiết bị đầu cuối di động có thời gian truyền dẫn thực tế. Khi giao tiếp được thiết lập, thiết bị đầu cuối di động chuyển thành trạng thái xác nhận dữ liệu và gửi các yêu cầu trong RACH bằng việc truyền các tín hiệu với các mã PN cơ sở ngẫu nhiên. Các thông tin cần thiết như tốc độ truyền trung bình, công suất truyền cực đại trong các khoảng thời gian và các yêu cầu BER của các thiết bị đầu cuối di động. Khi các dịch vụ ở trạm cơ sở như yêu cầu, thuật toán CAC cơ sở băng thông rộng chất lượng cao được đưa ra nhằm xem xét hệ thống băng thông rộng có trên hệ thống hay không. Và sau đó kết quả lại được gửi lại cho các thiết bị đầu cuối qua ACH. Nếu kết quả cho thấy là khả quan thì yêu cầu được chấp nhận và mã PN cơ sở được sử dụng trong các thiết bị đầu cuối di động. Sau đó các thiết bị này sẽ chuyển sang bước truyền dữ liệu, nếu không thì các yêu cầu về xác nhận thông tin sẽ bị khoá, và hệ thiết bị đầu cuối di động sẽ phải xác nhận lại thông tin.

Lịch trình truyền gói: Trong bước truyền thông tin, thiết bị đầu cuối gửi các yêu cầu truyền dẫn trước khi sử lý theo khối thông tin. Các yêu cầu truyền dẫn có thể được gửi trong RACH hay DCH. Các yêu cầu này xác định ID của thiết bị đầu cuối, số lượng các gói tin cần để truyền dẫn trong khung tiếp theo, và tỷ lệ ngắt tín hiệu trong truyền tin. Tỷ lệ ngắt tín hiệu được xác định dựa trên số lần không đáp ứng được yêu cầu của một gói dịch vụ. Sau khi một trạm cơ sở nhận được các yêu cầu truyền dẫn từ các thiết bị đầu cuối trong một khe thời gian nhất định, nó sử dụng sơ đồ lịch trình theo gói thông tin để thiết lập phương pháp áp dụng gói truyền thông đa phương tiện sao cho phù hợp trong từng khoảng thời gian. Các lịch trình truyền thông tin dựa trên tốc độ kết nối và sơ đồ BER, dựa trên sơ đồ điều khiển công suất cực tiểu cho mỗi kênh mã hoá. Lịch trình này có thể tối đa hoá công suất của hệ thống và đáp ứng được mọi yêu cầu của giao thức BER trong truyền thông đa phương tiện.

Truyền gói: Dựa trên các thông tin phản hồi từ các trạm, các thiết bị đầu cuối, truyền tin trong các khe thời gian với công suất phát tới các trạm cơ sở nhận thông tin, sau đó gửi đến đích. Chính vì vậy hệ thống kiểm tra có thể ngăn chặn việc truyền thông tin sai.  Tât cả các gói thông tin không được phép truyền trong cùng một khe thời gian mà phải theo thứ tự ưu tiên và chuyển sang khe thời gian khác nhau trừ khi xảy ra hiện tượng mất tín hiệu.

Phần III: hiệu suất cực đại trong một khe thời gian nhất định.

Đối với các gói dịch vụ nếu (Tk,l) đưa ra số lượng các thiết bị đầu cuối di động đang truyền thông tin trong 1 khe thời gian nhất đinh, theo đó công suất của toàn bộ các thiết bị này được tính theo công thức  Đối với các loại thiết bị đầu cuối di động khác nhau, số kênh mã hoá phải nằm trong khoảng {1,….Mk­­­­­­­­­­­­­­}. Chính vì vậy tổng công suất là  với các giá trị của k.

Theo như định nghĩa về số lượng các thiết bị đầu cuối di động của các loại dịch vụ trong khe thời gian có thể được miêu tả bằng vector Nếu Ct xác định số lượng mã hoá của các thiết bị đầu cuối di động trong một khe thời gian và được xác định bằng công thức:

Khi sơ đồ điện năng cấp phát cực tiểu được sử dụng thì phải đáp ứng được các điều kiện của công thức (10). Kết quả chỉ ra rằng để tối đa hoá ( Ct ) chúng ta cần giải quyết vấn đề dưới đây

(Tối đa hoá chức năng (Cl) trong công thức (10))

Theo các công thức này ( Ct ) được tối đa hoá tại một trong các điểm đã chỉ ra trong công thức (11). Kết quả của các nghiên cứu cho thấy các điểm đó thuộc

Phần IV: Quy trình xử lý các gói tin.

Quy trình xử lý các các gói tin bao gồm các gói tin được ưu tiên, tỷ lệ kết nối, sơ đồ lịch trình BER và điều khiển thông tin nguồn dựa trên điều khiển công suất cực tiểu như ở trên, dựa vào tỷ lệ đáp ứng các yêu cầu của QoS mà các thông tin sẽ được truyền đi theo thứ tự ưu tiên. Sau khi gói thông tin được xác định, sơ đồ lịch trình BER và tốc độ kết nối được xác định trong từng khe thời gian cho các kênh mã hoá. Công suất truyền trong từng khe thời gian được quy định bởi hệ thống điều khiển nguồn, sau khi chu trình này hoàn tất, thuật toán điều khiển công suất cực tiểu được sử dụng để cấp điện năng đầu vào cho từng kênh mã hoá, đối với từng khe thời gian. Mức điện năng đầu vào và tấn số mất tín hiệu sẽ quyết định công suất truyền dẫn.

A. Thứ tự ưu tiên các gói tin.

Để giảm hiện tượng mất tín hiệu, quyến ưu tiên của gói thông tin cần phải được xem xét để các gói tin còn lại trên đường truyền còn lưu lại được trước khi timeout. Quyền ưu tiên các gói tin () được tính theo công thức

Trong đó khi và lần lượt là khe thời gian và thời điểm hiện tại, số lượng các gói tin còn lại trên đường truyền và  tạo thành độ dài của khung đường truyền. Sự khác nhau giữa và sẽ tạo thành thời độ dài khe thời gian truyền thông tin.

Chính vì vậy nếu các gói thông tin không được truyền đi trước thời gian timeout thì sẽ bị xoá. Các gói tin được xắp xếp theo thứ tự ưu tiên. Thứ tự ưu tiên phải được thiết lập dựa trên tỷ lệ đáp ứng các yêu cầu kết nối của mỗi gói tin, nếu một khối tin nằm trong khe thời gian mất tín hiệu thì chỉ một số các gói tin được truyền đi. Tuy nhiên nếu khối tin đó nằm trong khe thời gian kết nối thì các gói tin thuộc các khối tin khác cũng sẽ được xác nhận cho đến khi đạt được tỷ lệ truyền hợp lý.

B. Lịch trình BER và tốc độ kết nối

Theo thứ tự ưu tiên các gói tin, khối tin sẽ được xác định, sơ đồ lịch trình là rất cần thiết cho cấp phát phù hợp với các khe thời gian và các kênh mã hoá cho các gói tin trong khối thông tin. Để truyền được tối đa gói tin trong 1 khe thời gian nhất định thì tốc độ kết nối và sơ đồ lịch trình BER được sử dụng rất linh hoạt trong các khe thời gian khác nhau. Các kênh mã hoá trong một khe thời gian nhất định được quy định bởi thuật toán điều khiển công suất cực tiểu.

Khe thời gian trống:Nếu không có gói tin nào được truyền dẫn trong một khe thời gian nhất định thì khe thời gian này gọi là khe thời gian trống.

Khe thời gian (BER):Một khe thời gian được gọi là khe BER khi các gói tin đáp ứng nghiêm ngặt các yêu cầu của BER.

Khe thời gian không sẵn có:Một khe thời gian không rỗng được gọi là một khe thời gian không sẵn có khi các thiết bị đầu cuối di động sử dụng tối đa số lượng các kênh mã hoá trong một khe thời gian, theo định nghĩa này, một khe thời gian không sẵn có không tồn tại trong các thiết bị đầu cuối.

Tốc độ kết nối và sơ đồ lịch trình BER được lặp đi lặp lại cho đến khi các gói tin được truyền hết hay không còn một kênh mã hoá nào đang hoạt động trong khối truyền dẫn hiện hành. Nếu không một kênh mã hoá nào hoạt động thì vẫn còn có những gói tin trong khối thông tin truyền và các gói tin này sẽ được chuyển sang khe thời gian sau. Có bốn trường hợp có thể xảy ra tuỳ theo số các kênh mã hoá hoạt động trong một khe thời gian nhất định.

Trường hợp 1: khe thời gian BER rỗng hay không rỗng được đưa ra  khi  trong khe thời gian này, trong đó gói tin trong khối tin (i) được xác định, theo đó các thiết bị đầu cuối có các khối thông tin (i)  sẻ sử dụng tối đa các kênh thông tin trong 1 khe thời gian nhất định, cách xác định  sẽ được giải thích trong mục C của phần IV. Sau đó và tất cả các kênh mã hoá còn lại trong khối tin sẽ được truyền và chính vì vậy các khe thời gian tương ứng sẽ trở thành các khe thời gian không có sẵn trong các thiết bị đầu cuối, trong trường hợp này cả lịch trình BER và tốc độ đều được sử dụng.

Trường hợp 2: Lịch trình BER không rỗng hoặc rỗng, các khe thời gian được xác định cả hai đều không đáp ứng điều kiện . Gói sẽ được xác định trong cả hai lịch trình BER và khe thời gian tronglà nhỏ nhất. Chính vì vậy, các khe thời gian với  được dùng trong khối thông tin gồm nhiều các gói thông tin hơn.

Trường hợp 3: Các khe thời gian rỗng và không rỗng đều tồn tại trong cả hai trường hợp BER rỗng và không rỗng nhưng  đáp ứng được cả hai loại khe thời gian, gói tin

Trong khối tin (i) được sử dụng trong khe thời gian mà trong đó  đạt giá trị nhỏ nhất, ví dụ . thêm vào đó khe thời gian này trở thành khe thời gian không sẵn có trong các thiết bị dầu cuối di động có khối tin (i)  trong trường hợp này thay đổi tốc độ được bảo đảm.

Lưu đồ thuật toán:

C Bộ điều khiển nguồn.

Trong mỗi sơ đồ lịch trình được xác định như sau: Theo thuật toán điều khiển công suất cực tiểu các kênh mã hoá phải đáp ứng được tất cả các điều kiện của công thức (8)

 

Phần V: kết luận.

Trong bài viết này áp dụng thuật toán điều khiển công suất cực tiểu cho các thiết bị đầu cuối di động cho các thiết bị truyền thông đa phương tiện trong hệ thống TD –CDMA băng thông rộng và để đạt được công suất truyền dẫn cực đại trong các khe thời gian đã phát triển lịch trình BER và tốc độ kết nối. Với lịch trình BER,  và tốc độ kêt nối  thuật toán điều khiển điện năng cực tiểu đưa ra một lịch trình truyền tin mới cho giao thức MAC trong hệ thống không dây TD-CDMA. Hơn nữa, để nâng cao hiệu suất của giao thức MAC phát triển thuật toán CAC dựa trên thuật toán điều khiển công suất cực tiểu. Giao thức MAC mới đáp ứng được các điều kiện chất lượng của truyền thông đa phương tiện. Đây là một giao thức khả quan cho hệ thống truyền thông đa phương tiện không dây.

 

Tài liệu tham khảo (REFERENCES):

[1] C.-L. I and R. D. Gitlin, “Multicode CDMA wireless personal communications networks,” in Proc. IEEE ICC, June 1995, pp. 1060–1064.

[2] “UMTS channel coding and multiplexing examples (Release 4),” 3rd Generation Partnership Project, 3GPP TS 25.944, v 4.1.0, June 2001.

[3] “Selection procedures for the choice of radio transmission technologies of the UMTS,” 3rd Generation Partnership Project, UMTS 30.03, v

3.2.0, Apr. 1998.

[4] X. Liu, E. K. P. Chong, and N. B. Shroff, “Opportunistic transmission scheduling with resource-sharing constraints in wireless networks,”

IEEE J. Select. Areas Commun., vol. 19, pp. 2053–2064, Oct. 2001.

[5] J. Conan, “The weight spectra of some short low-rate convolutional codes,” IEEE Trans. Commun., vol. 40, pp. 303–312, Sept. 1984.