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

 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 
23 
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 
Ở phần I của bài báo này đã trình bày các 
vấn đề về nhiễu đồng kênh trong mạng đa truy 
nhập băng rộng, sau đó đã đề xuất phương pháp 
cấp phát kênh động với mục đích tăng thông 
lượng và giảm nhiễu toàn mạng. Cơ chế giảm 
nhiễu đồng kênh cho mạng được thể hiện tóm 
tắt ở hình 1 và 2. Ở hình 1, máy thu B phát tín 
hiệu báo bận trên các sóng mang đang sử dụng 
cho việc truyền dẫn từ máy phát A đến máy thu 
B. Dựa vào tín hiệu báo bận này và mức 
ngưỡng nhiễu tối đa cho phép mà máy phát C 
sẽ lựa chọn các sóng mang tương ứng cho việc 
thiết lập đường nối đến máy thu. Dựa vào 
nguyên lý này mà vấn đề ‘hidden node’ và 
‘exposed node’ được giải quyết. 
Để kiểm nghiệm khả năng ứng dụng của 
thuật toán này cho mạng WiMax, phần tiếp theo 
của bài báo trình bày mô hình phỏng tạo mạng 
WiMax, mô hình lưu lượng mạng, mô hình 
kênh truyền, sau đó thảo luận về các kết quả mô 
phỏng, đồng thời đánh giá chất lượng của mạng 
khi ứng dụng thuật toán đề xuất trong sự so 
sánh với các thuật toán khác. Các mô hình xây 
dựng cho việc phỏng tạo số đều dựa trên cơ sở 
của mạng WiMax. Kết quả phân tích mạng dựa 
trên thông lượng toàn mạng đạt được khi chất 
lượng tín hiệu trên mỗi sóng mang con lớn hơn 
một ngưỡng tương ứng với một loại dịch vụ cho 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 
24 
trước. Kết quả mô phỏng số cho thấy với thuật 
đoán đề xuất, mạng có chất lượng được cải 
thiện đáng kể so với các thuật toán thông 
thường. Tuy nhiên để đạt được chất lượng này, 
tham số mức ngưỡng sử dụng cho thuật toán đề 
xuất phải được tối ưu. 
Hình 1. Cơ chế cấp phát kênh dựa vào tín hiệu 
báo bận phát ra từ máy thu 
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 
trình bày về các mô hình sử dụng để mô phỏng 
mạng. Các kết quả phân tích được trình bày ở 
mục IV. Mục V là kết luận của bài báo. 
II. PHƯƠNG PHÁP CẤP PHÁT KÊNH 
OFDM-FDMA THÔNG THƯỜNG 
Hình 3. Phương pháp OFDM-FDMA thông 
thường [1] 
Hình 3 thể hiện một phương pháp cấp 
phát kênh OFDM-FDMA thông thường, trong 
đó các người sử dụng khác nhau sẽ chiếm các 
sóng mang khác nhau. Tuy nhiên sự cấp phát 
các sóng mang này chỉ căn cứ vào sự bận rỗi 
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 
này là đơn giản, tuy nhiên nó không có cơ chế 
chống nhiễu đặc biệt là nhiễu đồng kênh cho 
mạng. 
III. MÔ HÌNH HÊ THỐNG PHỎNG TẠO 
Hình 4. Mô hình mạng 
Mạng mô phỏng được mô tả ở hình 4, 
trong đó gồm 7 cell, bán kính mỗi cell là 500m. 
Các đơn vị thuê bao MS phân bố đều đặt trong 
không gian (phân bố chuẩn). Các thông số hệ 
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 GHzfc 9.1 . 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 
kết khác nhau là độc lập xác suất. Mô hình kênh 
fading và phân tập đa đường được phỏng tạo 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 
25 
theo phương pháp Monte Carlo như trình bày ở 
[4]. 
Bài bào này giả thiết hệ thống được đồng 
bộ tốt về thời gian và tần số. Do đó chỉ xuất 
hiện CCI. 
Ta sử dụng mô hình suy hao tín hiệu 
được mô tả trong [3] 
    010 /log10 ddAg (1) 
trong đó:   /4log20 010 dA  với 
0d =100m, và  là bước sóng.  là hệ số suy 
hao, )/( bb hcbha  , trong đó bh là 
chiều cao của BS và được chọn là 80m. Các 
hằng số a, b, c được chọn từ mô hình dành cho 
địa hình loại A trong [5]. Biến ngẫu nhiên phân 
bố chuẩn loga  mô hình cho hiệu ứng che 
khuất, giả thiết có phương sai là 10dB. 
Giả thiết lưu lượng đến theo phân bố 
Poisson với khoảng thời gian đến trung bình là 
0.1ms và thời gian giữ trung bình là 0.15s. 
Công suất phát của tất cả MS và BS là 30dBm. 
SINR tối thiểu req được sử dụng để lựa chọn 
kênh con tại máy thu là 16dB. 
Chiều dài của khung con hướng xuống 
DLL được thiết lập bằng với chiều dài của 
khung con hướng lên ULL và bằng 20 ký hiệu 
OFDM. Bởi vậy một khung MAC bao gồm 
( ULDL LL  ) ký hiệu OFDM trong đó có hai ký 
hiệu OFDM dành cho việc báo hiệu âm bận cho 
cả hướng lên và hướng xuống. Hiệu quả sử 
dụng phổ của hệ thống sẽ giảm xuống còn: 
ULDL
p
LL 

2
1 (2) 
Tải yêu cầu của mạng được định nghĩa là 
số bít trung bình trên một giây trên một cell 
được yêu cầu gửi đi. Giả thiết có M trạm thuê 
bao hoạt động trong khoảng một ký hiệu 
OFDM nào đó. Tải yêu cầu của mạng được 
định nghĩa như sau: 
]//[max cellsbitNM
NT
M
A ary
Cs
o

 (3)
trong đó  là mật độ lưu lượng, aryM là số bít 
trên một ký hiệu, sT là khoảng chiều dài ký hiệu 
tính theo s, CN là số cell có trong mạng, và 
maxN là số sóng mang lớn nhất có thể cấp cho 
một người d ng. Rõ ràng FFTNN max , trong 
đó FFTN là tổng số sóng mang con của hệ 
thống. Gọi 
k
iA là số phần tử của tập 
k
iA . Nếu 
maxNA
k
i  thì maxN kênh con sẽ được lựa 
chọn ngẫu nhiên từ 
k
iA kênh con được lựa 
chọn trước đó. Điều kiện này là cần thiết để 
đảm bảo sự công bằng, tránh tình huống một 
liên kết nào đó sử dụng một tỷ lệ lớn băng 
thông và khiến cho mạng từ chối dịch vụ đối 
với các người d ng khác. 
Mô hình điều chế được sử dụng trên tất 
cả các kênh con là 16-QAM. 4aryM . Thêm 
nữa, ta giả thiết rằng MS k có thể nhận dữ liệu 
thành công từ 
k
iB kênh con  maxNBki  1 , 
trong đó 
k
iB là số phần tử của tập 
k
iB . Thông 
lượng là một biến ngẫu nhiên, có thể thu được 
như sau: 
 cellsbitB
NT
MT
M
k
k
i
Cs
paryi //
1
1


  (4) 
Các bít dữ liệu tuy được gửi đi nhưng 
nếu được nhận trên một kênh con nào đó có 
SINR thấp hơn req sẽ bị máy thu loại bỏ và 
xem là bị mất. Dựa trên các tập 
k
iA và 
k
iB , tỷ 
lệ từ chối trên một khung MAC tại máy thu 
được tính như sau: 
 cellsbitBA
NT
MT
M
k
k
i
k
i
Cs
paryi //)(
1
1


  (5) 
IV. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Hiệu quả của việc cấp phát kênh phân tán 
sử dụng tín hiệu bận đề cập ở trên được thể hiện 
trong Hình 2. Ở đây tạp âm nhiễu trắng chưa 
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 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 
26 
được tính đến. Giả thiết chúng xuất hiện ở mức 
nhỏ và có thể bỏ qua. 
Hình 5. Ảnh hưởng của mức ngưỡng thrI đến 
việc sử dụng kênh 
Nếu mức ngưỡng tín hiệu bận rất thấp thì 
chỉ những kênh con tạo ra công suất nhiễu 
không đáng kể mới được lựa chọn. Điều này có 
nghĩa là không có sự truyền dẫn trên các kênh 
con đó hoặc có một máy thu bị nhiễu ở một 
khoảng cách rất xa so với máy phát đang quét 
kênh bận. Hệ quả là khả năng SINR trên những 
kênh con này tại máy thu chủ định lớn hơn mức 
yêu cầu là rất cao. Tuy nhiên chỉ một số kênh 
con đáp ứng được điều kiện này, nghĩa là hệ 
thống đã quá thận trọng trong việc loại nhiễu 
CCI. Khi mức ngưỡng tín hiệu bận tăng thì số 
kênh con trong tập k
k
iA tăng lên tới tổng số 
kênh con, nhưng c ng lúc đó số kênh con bị 
loại tăng lên do mức nhiễu CCI trong mạng 
cũng tăng. Nếu ngưỡng nhiễu tín hiệu bận là rất 
cao, điều này cơ bản có nghĩa là không có sự 
phát hiện và quan tâm đến nhiễu. Hệ thống hoạt 
động như thể chỉ có giải thuật lựa chọn kênh 
con ngẫu nhiên được thực hiện. Từ kết quả ở 
Hình 5 xét cho trường hợp req = 16 dB, ta có 
thể thấy rằng có một giá trị tối ưu cho mức 
ngưỡng công suất tín hiệu bận ở xung quanh giá 
trị -90dBm, giá trị này làm tăng sự sử dụng 
kênh lên 30% so với trường hợp thrI = - 70dBm. 
Giá trị mức ngưỡng tối ưu cũng phụ thuộc và o 
giá trị của yêu cầu chất lượng dịch vụ req . 
Chúng ta cũng nhận thấy rằng khi yêu cầu chất 
lượng dịch vụ càng thấp thì giá trị mức ngưỡng 
tối ưu càng cao. 
Hình 6. So sánh thông lượng của hệ thống khi 
sử dụng cấp phát kênh ngẫu nhiên và khi sử 
dụng DCA có quan tâm đến nhiễu 
Trong Hình 6 là sự so sánh giải thuật của 
phương pháp được đề xuất với OFDMA truyền 
thống, tức là hệ thống OFDMA trong đó mỗi 
người d ng được ấn định ngẫu nhiên một số 
lượng cố định các kênh con tuần tự. Ta có thể 
thấy hệ thống sử dụng giải thuật cấp phát kênh 
đang xét có thông lượng cao hơn hệ thống 
OFDMA truyền thống. 
V. KẾT LUẬN 
Các kết quả phân tích mô phỏng cho thấy 
chất lượng thuật toán đề xuất phụ thuộc nhiều 
vào sự lựa chọn mức ngưỡng nhiễu cho phép 
tối đa. Nếu mức ngưỡng được chọn quá nhỏ, 
mạng sẽ có mức CCI tương ứng thấp, tuy nhiên 
thông lượng mạng cũng nhỏ. Điều này là do 
thuật toán lựa chọn kênh ‘quá nhạy cảm’ ngay 
cả khi chỉ có một lượng nhiễu nhỏ tồn tại trong 
mạng. Trong trường hợp mức ngưỡng chọn quá 
lớn thì thuật toán đề xuất không còn tác dụng 
giảm nhiễu cho mạng. Do vậy để mạng hoạt 
động tốt với thuật toán đề xuất thì mức nhiễu 
cần được lựa chọn ph hợp. Với một mức 
ngưỡng ph hợp cho thuật toán đề xuất thì 
mạng có thể đạt thông lượng toàn mạng cao 
hơn so với phương pháp OFDMA thông 
thường, đặc biệt khi tải của mạng tăng cao. 
Thuật toán đề xuất do vậy có thể ứng dụng cho 
mạng WiMax. Mặt khác do tính chất xử lý phân 
bố của thuật toán nên nó có thể ứng dụng cho 
mạng Adhoc. Đây là vấn đề cần tiếp tục nghiên 
cứu trong dự án nghiên cứu này. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 70 - 2009 
27 
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