Giao thức chuyển giao liên kết trong mạng truyền thông ánh sáng nhìn thấy45041

Giao thức chuyển giao liên kết mạng truyền thông ánh sáng nhìn thấy Phạm Văn Giỏi, Nguyễn Nam Hồng Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội (gpham378@gmail.com, hoangnn@vnu.edu.vn) TĨM TẮT – Truyền thơng ánh sáng nhìn thấy (Visible Light Communications - VLC) giải pháp thay cho truyền thông vô tuyến để giải vấn đề băng thông hữu hạn Để mạng VLC hoạt động hiệu quả, có nhiều vấn đề kỹ thuật cần giải quyết, đó: chuyển giao liên kết (link switching) điểm truy cập VLC thách thức kỹ thuật cần nghiên cứu Trong b.áo này, nghiên cứu đề xuất giao thức chuyển giao liên kết cho mạng truyền thơng ánh sáng nhìn thấy sử dụng khu vực có diện tích lớn với nhiều điểm truy cập VLC Cụ thể, hai giao thức chuyển giao liên kết đề xuất báo gồm giao thức chuyển giao nội vùng giao thức chuyển giao liên vùng Trong đó, phương pháp chuyển giao nội vùng dựa ngưỡng tải điểm truy cập VLC Phương pháp chuyển giao liên vùng thực dựa chế chuyển giao chủ động Kết mô số nhận cho thấy, giao thức chuyển giao đề xuất hỗ trợ hiệu tốt mục tiêu việc đảm bảo chất lượng dich vụdịch vụ so với giải pháp truyền thống Từ khóa: Truyền thơng ánh sáng nhìn thấy, chuyển giao liên kết, chất lượng dịch vụ, phân bổ tài nguyên I GIỚI THIỆU Sự bùng nổ Internet di động mang đến nhu cầu lưu lượng truy cập liệu không dây ngày tăng nhanh Tuy nhiên, phổ sóng vơ tuyến có đặc trưng hữu hạn tài nguyên hữu hạn [1] nên cần có công nghệ truyền thông để đáp ứng nhu cầu Với phát triển công nghệ vật liệu, đặc biệt công nghệ LED dẫn tới quan tâm lớn việc ứng dụng nghiên cứu công nghệ truyền thông không dây sử dụng ánh sáng vùng nhìn thấy VLC (Visible Light Communications) [1] Đây xem hướng giải pháp khả thi cho truyền thơng khơng dây tương lai Vì vậy, lĩnh vực thu hút nhiều nhà nghiên cứu phát triển giải pháp quan tâm Để hệ thống VLC hoạt động hiệu quả, có nhiều vấn đề kỹ thuật cần nghiên cứu giải Trong đó, chuyển giao liên kết cho đảm bảo kết nối liên tục hỗ trợ chất lượng dịch vụ vấn đề kỹ thuật quan tâm nghiên Hồng Trọng Minh Học viện cơng nghệ Bưu Viễn thông hoangtrongminh@ptit.edu.vn cứu Trong tiêu chuẩn IEEE 802.15.7 [1], thuật ngữ “link switching” (còn gọi “handover”) giao thức sử dụng để đảm bảo kết nối người dùng di chuyển điểm truy cập VLC (VLC-AP) Một số phương pháp chuyển giao liên kết đề xuất tác giả trước với tiếp cận khác Giao thức chuyển giao cứng [2] thực cách sử dụng qt tín hiệu trước sau thực chuyển giao liên kết Quyết định chuyển giao liên kết dựa cường độ tín hiệu nhận tới người dùng từ điểm truy cập Đây phương pháp phổ biến mạng truyền thông không dây Phương pháp chuyển giao liên kết dựa thông tin vị trí người dùng để từ dự đốn vị trí người dùng đề xuất [4] Trong [5], giao thức chuyển giao liên kết mềm thực để cải thiện chất lượng tín hiệu người dùng Trong báo này, đối tượng nghiên cứu kịch ứng dụng mạng VLC nhà khu vực diện tích lớn, với mật độ người dùng cao (như nhà ga, sân bay,…) Đây kịch mà nghiên cứu trước chưa đề cập Với yêu cầu toán này, phương pháp chuyển giao liên kết trước gặp phải hạn chế như: chưa xét tới việc phân bố tải lưu lượng không đồng mạng VLC chưa xét đến kịch ứng dụng mạng VLC khu vực có diện tích lớn Để giải vấn đề này, giải pháp phân vùng thực cho vùng diện tích lớn Kết nối liên tục hiệu hệ thống đảm bảo với đề xuất giao thức chuyển giao liên kết nội vùng liên vùng Các phần lại báo tổ chức sau: Phần trình bày mơ hình kênh truyền VLC mơ hình hệ thống VLC phân vùng Các đề xuất giao thức chuyển giao liên kết cho mơ hình mạng VLC phân vùng trình bày phần Các kết mơ trình bày phần Kết luận báo hướng phát triển trình bày phần cuối II MƠ HÌNH HỆ THỐNG Hình minh họa mạng VLC điển hình Theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.7, hệ thống truyền thơng ánh sáng nhìn thấy có ba thành phần bản: thiết bị người dùng (User Equipment – UE), phát (Transmitter) hay gọi điểm truy cập (Access Point – AP) điều khiển trung tâm (Coordinator) Các UE sử dụng đường truyền quang học kết nối với Transmitter để truyền nhận liệu Các Transmitter hoạt động đưới quản lí Coordinator Trong mơ hình theo chuẩn IEEE 802.15.7 này, thiết bị đầu cuối VLC (VLC-UE) sử dụng thu phát ánh sáng với chế điều khiển độ sáng để kết hợp việc sử dụng ánh sáng chiếu sáng với việc truyền thông tin Sau đây, chúng tơi trình bày mơ hình kênh truyền VLC mơ hình hệ thống VLC phân vùng sử dụng để làm sở cho việc thiết kế giao thức chuyển giao liên kết trình bày phần III Trong đó, 𝜙1/2 góc xạ nửa công suất LED Độ lợi II.1 Mơ hình kênh truyền VLC tính theo cơng thức (4), với giá trị Pt công suất quang LED [2] Hệ thống VLC thông thường sử dụng phương pháp điều chế cường độ tách sóng trực tiếp IM/DD (Intensity Modulation with Direct Detection) [1] Như biết, ánh sáng truyền trực tiếp trạm phát thiết bị VLC truyền nhờ phản xạ vật thể khác Tương ứng vậy, có loại kênh truyền trực tiếp LOS (Line of Sight) kênh truyền gián tiếp NLOS (Non Line of Sight) Với hệ thống VLC sử dụng môi trường nhà, ta thường áp dụng kênh LOS với biểu diễn tốn học sau [2]: Hình Mơ hình hệ thống VLC theo chuẩn IEEE 802.15.7 với điều phối - Coordinator  (m + 1) A cos m ( )T ( ) g ( ) cos( )  s H LOS (0) =  2 d ,  0,    c  tập trung quang học 𝑔(Ψ) định nghĩa sau:  n2 ,   c  g ( ) =  sin ( c )  0,    c  Với 𝑛 chiết suất mơi trường, 𝛹𝐶 góc chiếu lớn LED Cơng suất tín hiệu nhận phía thiết bị người dùng UE  (4) Do hệ thống VLC nhà bỏ qua phản xạ từ tường nên theo giả thiết từ [9, ta có giá trị HNLOS =0 II.2 Mơ hình mạng VLC phân vùng Với giả thiết hệ thống VLC triển khai diện tích lớn nhằm cung cấp dịch vụ nơi công cộng, kiến trúc sử dụng đơn AP (Access Point) khơng thể đáp ứng vùng phủ Vì vậy, giải pháp đưa sử dụng nhóm AP để đáp ứng mục tiêu Tuy nhiên, để đảm bảo tính liên tục kết nối AP UE di chuyển sử dụng hiệu tài ngun hệ thống cần có thiết kế hợp lý khả thi Cấu hình đề xuất dựa mạng VLC theo mơ hình tiêu chuẩn Mỗi mạng đảm nhiệm cung cấp dịch vụ cho UE khu vực địa lý định Sự phối hợp mạng thực điều phối coordinator Hình biểu diễn cấu trúc mạng VLC diện rộng gồm 25 vùng vùng gồm 04 AP Các vòng tròn biểu thị vùng phủ AP tương tự hình   c Trong đó: 𝜙 góc xạ; Ψ góc tới; A diện vùng phủ thu nhận ánh sáng; d khoảng cách LED thu PD (photodetector), 𝑇𝑠 (Ψ) hệ số truyền dẫn lọc quang học, 𝛹𝑐 trường nhìn thấy FOV (Field of View) PD; m số phát xạ Lambertian xác định công thức [1] ln ln(cos 1/ )  Pr =  N LED PH t LOS (0) +  Walls PdH t NLOS (0) (1) m= (3) (2) Hình Mơ hình mạng VLC phân vùng Để đảm bảo kết nối liên tục hiệu sử dụng tài nguyên, ta cần thiết kế giao thức chuyển giao liên kết nội vùng liên vùng Các vấn đề trình bày III CHUYỂN GIAO LIÊN KẾT Khi UE di chuyển vùng phủ AP thuộc Coordinator quản lý, giao thức chuyển giao nội vùng thực cho chuyển giao hai AP Khi UE di chuyển vùng phủ AP thuộc hai Coordinator quản lý, giao thức chuyển giao liên vùng thực cho chuyển giao hai Coordinator III.1 Giao thức chuyển giao nội vùng Trong phần này, chúng tơi tóm tắt ba giao thức chuyển giao nội vùng có đề xuất giao thức chuyển giao nội vùng có tên gọi giao thức sử dụng thơng tin hàng đợi cải tiến IQOI (Improved Queue Occupancy Information link switching protocol) Định nghĩa APcurrent điểm truy nhập phục vụ thiết bị người dùng UE và APtarget điểm truy nhập mà UE chuyển giao liên kết tới Trước hết, ta khái quát lại nguyên lý giao thức chuyển giao liên kết liên quan i) Giao thức chuyển giao dựa thơng tin vị trí (Location Aware link switching protocol) [4] Trong giao thức chuyển giao này, thông tin vị trí UE sử dụng để APcurrent định chuyển giao sang APtarget thơng qua dự đốn vị trí từ vị tí cũ phương pháp đệ quy Vì vậy, chuyển động UE mang tính ngẫu nhiên cao độ xác toán dự đoán giảm rõ rệt ii) Giao thức chuyển giao sử dụng thông tin hàng đợi (QOI – Queue Occupancy Information protocol) [3] Khi áp dụng giao thức này, UE thực việc quét tín hiệu AP lập danh sách AP theo cường độ tín hiệu thu RSS (Received Signal Strength) Tuy nhiên, UE cần chuyển giao, APcurrent chọn APtarget AP có mức tải thấp Tỷ lệ tải (loadRatio) AP tính theo cơng thức sau: TotalNumberOfPacketInQueue loadRatio = MaximumQueueSize (5) TotalNumberOfPacketInQueue tổng số gói tin liệu lưu trữ điểm truy cập MaximumQueueSize số gói tin liệu lớn mà AP lưu trữ iii) Giao thức chuyển giao dựa RSS [8] Trong thực trình truyền liệu từ APcurrent tới UE, UE đo cường độ tín hiệu tất AP mà UE nhận Nếu tín hiệu từ AP lớn mức ngưỡng công suất nhận cho phép đảm bảo kết nối (HO threshold), UE đưa AP vào danh sách AP dành cho chuyển giao Danh sách cập nhật định kỳ cho APcurrent Khi cường độ tín hiệu từ điểm APcurrent nhỏ giá trị ngưỡng trên, UE gửi yêu cầu chuyển giao tới APcurrent APcurrent tìm chọn APtarget có cường độ tín hiệu mạnh iv) Giao thức chuyển giao dựa thông tin hàng đợi cải tiến IQOI Trê sở khảo sát, đề xuất giao thức chuyển giao dựa thông tin hàng đợi cải tiến IQOI Sự cải tiến giao thức đề xuất khác biệt với giao thức OQI điểm sau AP thực cho phép UE chuyển giao sang AP khác chất lượng tín hiệu APcurrent tốt tải APcurrent lại cao (ảnh hưởng chất lượng dịch vụ) Hoạt động giao thức IQOI gồm bước sau: Bước 1: Mỗi UE thực việc quét tín hiệu AP mà UE nhận Nếu tín hiệu AP lớn mức ngưỡng tín hiệu cho phép trì chất lượng kết nối (HO threshold) đưa AP vào danh sách AP nhận chuyển giao Bước 2: UE lựa chọn điểm truy nhập đích theo hai tình sau: a) Khi tín hiệu nhận từ APcurrent tốt APcurrent có tỷ lệ tải lớn tỷ lệ tải APi liền kề, APcurrent chọn APtarget APx thỏa mãn hai điều kiện: Có cường độ tín hiệu đủ để đảm bảo chất lượng kết nối; có tỷ lệ tải nhỏ b) Nếu tín hiệu APcurrent ngưỡng tín hiệu nhận cần thiết đảm bảo kết nối (HO threshold) APcurrent chọn APtarget AP danh sách có tỷ lệ tải nhỏ III.2 Giao thức chuyển giao liên vùng Khi UE nằm vùng chồng lấn AP thuộc hai điều phối, ta cần xử lý chuyển giao liên kết liên vùng Gọi APcurrent Coordinatorcurrent điểm truy nhập điều phối phục vụ UE Gọi APtarget Coordinatortarget AP Coordinator mà UE cần chuyển giao liên kết Giả thiết áp dụng chế chuyển giao cứng, giao thức chuyển giao liên kết liên vùng truyền thống thực với bước sau: Bước 1: UE định kỳ quét tín hiệu AP thuộc vùng chồng lấn gửi cho APcurrent danh sách AP có cường độ tín hiệu lớn ngưỡng tín hiệu nhận (HO threshold) Bước 2: Khi cường độ tín hiệu APcurrent xuống mức ngưỡng yêu cầu (HO threshold), APcurrent chọn APtarget để thực chuyển giao liên kết (giả thiết APtarget thuộc Coordinatortarget) Bước 3: APcurrent trao đổi tin báo hiệu với APtarget để thực chuyển giao Sau chuyển giao liên kết thành công, Coordinatorcurrent chuyển tiếp liệu UE lưu sang Coordinatortarget để tiếp tục truyền cho UE nhằm tránh mát liệu Như thấy việc chuyển giao liên vùng cần trình chuyển tiếp liệu hai Coordinator để UE không bị liệu Giao thức chuyển giao liên kết truyền thống áp dụng cho chuyển giao liên vùng gây độ trễ liệu tăng lên thông lượng người dùng giảm Để khắc phục vấn đề nêu thực chuyển giao liên kết liên vùng, đề xuất giao thức chuyển giao liên vùng chủ động (Proactive inter-coordinator link switching protocol) Quyết định chuyển giao dựa chênh lệch cường độ tín hiệu AP thay sử dụng ngưỡng cố định Dự đoán xu hướng chuyển giao thực trước trình chuyển giao thực xảy nên rút ngắn trễ chuyển giao Các bước thủ tục sau: Bước 1: UE định kỳ quét tín hiệu AP thuộc vùng chồng lấn gửi cho APcurrent danh sách AP có cường độ tín hiệu lớn mức ngưỡng yêu cầu (HO threshold) Bước 2: Gọi APtarget AP danh sách thuộc Coordinator lân cận có cường độ tín hiệu lớn Khi chênh lệch cường độ tín hiệu APtarget APcurrent nhỏ ngưỡng chuyển giao (HOM), nghĩa là: < P(APtarget) – P(APcurrent) < HOM Góc nửa công suất LED 600 (semi-angle haft power) Vận tốc UE 0.3 m/s Băng thông kết nối hai Coordinator 10 Mbps Kích thước gói tin 10 kbytes Mơ thực với hai kịch gồm có: Mơ hệ thống mạng VLC có vùng (kịch 1) mơ hệ thống VLC có nhiều vùng (kịch 2) Thời gian mô kịch Kết mô đánh giá đồ thị thống kê phân bố tích lũy CDF (Cumulative Distribution Function) với thơng số chất lượng dịch vụ người dùng bao gồm độ trễ gói tin, số gói tin bị thơng lượng người dùng (6) Khi đó, APcurrent yêu cầu Coordinatorcurrent chép chuyển tiếp liệu UE sang Coordinatortarget để chuẩn bị cho trình chuyển giao liên vùng xảy Bước 3: Khi chênh lệch cơng suất tín hiệu nhận từ APtarget APcurrent lớn giá trị ngưỡng chuyển giao (HOM), nghĩa P(APtarget) – P(APcurrent) ≥ HOM (7) APcurrent yêu cầu Coordinatorcurrent thực chuyển giao liên kết UE tới APtarget thuộc Coordinatortarget Hình Độ trễ người dùng Do liệu UE chép chuyển tiếp từ Coordinatorcurrent sang Coordinatortarget trước nên việc truyền liệu tiếp tục thực UE kết nối với APtarget thành công IV ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA CÁC GIAO THỨC CHUYỂN GIAO Mơ hình mơ sử dụng Transmitter LED mảng: cụm LED gồm 60*60 LED, LED có cơng suất 20mW Việc bố trí cấu hình Transmitter cho khơng có khoảng trống vùng phủ xác định theo [7] Mơ hình có tất 100 cụm LED tương đương với 100 Transmitter chia làm 25 vùng, vùng có Transmitter Coordinator quản lý Giả thiết Coordinator cạnh có đường kết nối trực tiếp Các thông số mô tham khảo tài liệu [1] Bảng mô tả số thơng số mơ chính: Bảng Thơng số mô HO threshold (Ngưỡng công suất nhận) 0.24 mW HOM 2.7dB Băng thông đường xuống VLC 100 Mbps Kích thước đệm Transmitter 1.5 Mbytes Kích thước nhớ nhỏ yêu cầu cho UE 50 kbytes Hình Số gói tin bị Kết mô chuyển giao nội vùng (kịch 1) trình bày Hình Hình cho thấy phương pháp chuyển giao nội vùng, phương pháp IQOI đề xuất báo cung cấp chất lượng dịch vụ người dùng tốt phương pháp có Phương pháp IQOI cải thiện so với QOI nhờ có chế chuyển giao có hỗ trợ cân tải AP có dự đốn Hình cho thấy phương pháp IQOI mang lại kết lượng người dùng có độ trễ nhỏ 0.02s khoảng 97% Trong đó, phương pháp chuyển giao dựa vào thơng tin vị trí (location aware) có khoảng 80% lượng người dùng có độ trễ nhỏ 0.02s Hình cho thấy áp dụng phương pháp IQOI, khơng có người dùng bị 10 gói tin Trong đó, với phương pháp QOI có người dùng bị 15 gói tin Các phương pháp chuyển giao cịn lại gây mát mát gói tin cao tới 20 gói tin/1 người dùng Việc chủ động thực chuyển giao AP có tỷ lệ tải cao sang AP lân cận có tỷ lệ tải thấp mang lại lợi ích độ trễ thấp số gói tin mát giảm chuyển giao liên kết liên vùng chủ động đề xuất Bằng phương pháp mô số, giao thức đề xuất kiểm chứng cho thấy cải thiện đáng kể hiệu hệ thống so với phương pháp có giảm độ trễ, giảm gói tin mát chuyển giao tăng thông lượng người dùng Trên sở nghiên cứu này, tiếp tục với mục tiêu mở rộng kịch có UE chuyển động ngẫu nhiên kết nối mạng VLC hỗn tạp với nhiều loại Transmitter khác Tài liệu tham khảo Hình Số gói tin bị Hình Thơng lượng người dùng Kết mô chuyển giao liên vùng (kịch 2) biểu diễn hình hình Biểu diễn tỷ lệ tổn thất gói hình cho thấy áp dụng giao thức chuyển giao liên vùng chủ động giảm rõ rệt so sánh với phương pháp chuyển giao truyền thống Thơng lượng người dùng thể hình theo tốc độ gói tin hàm phân bố tích lũy so sánh giao thức đề xuất giao thức truyền thống Ta nhận thấy, xấp xỉ 15% lượng người dùng có thơng lượng nhỏ 90 packet/s với giao thức chuyển giao liên vùng truyền thống khoảng 22% lượng người dùng có thơng lượng nhỏ 90 packet/s Như vậy, qua kiểm chứng kết mô phỏng, chuyển giao liên kết chủ động đem lại hiệu suất mạng tốt so với phương pháp truyền thống Điều đặc biệt cần thiết môi trường động, UE di chuyển nhanh không định hướng V.KẾT LUẬN Trong báo này, thực nghiên cứu phương pháp chuyển giao liên kết cho mạng truyền thơng ánh sáng nhìn thấy cho phạm vi lớn Trong báo này, phương pháp chuyển giao cho chuyển giao liên kết nội vùng IQOI [1] Ghassemlooy Z, Popoola W and Rajbhandari S 2012 Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with Matlab® (Boca Raton, FL: CRC Press) [2] T Nguyen, M Z Chowdhury, and Y M Jang, “A novel link switching scheme using pre-scanning and RSS prediction in visible light communication networks,” Eurasip Journal on Wireless Communications and Networking, vol 2013, article 293, pp 1-17 [3] Van-Dinh Hoang, “Link-switching decision scheme using queue occupancy information in neighbor accesspoint in visible light communication network”, Trường Đại học công nghệ, ĐHQGHN, 2016 [4] Tuan Nguyen, M Z Chowdhury, Y M Jang, “Location-Aware Fast Link Switching scheme for Visible Light Communication Networks”, The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol 37C, Issue 10, 2012, pp.888-893 [5] E Dinc, O Ergul, and O B Akan, “Soft handover in OFDMA based visible light communication networks,” in Proc IEEE 82nd Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2015, Sep 2015, pp 1–5 [6] M S Demir et al., "Handover in VLC Networks with Coordinated Multipoint Transmission" in 2017 IEEE International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom), June 2017, pp 1-5 [7] Thai-Chien Bui, S Kiravittaya, N H Nguyen, N T Nguyen, K Spirinmanwat, "LEDs configuration method for supporting handover in visible light communication", Proc IEEE Region 10 Conf TENCON, Oct 2014, pp 1-6 [8] M Anas et al., "Performance evaluation of received signal strength based hard handover for UTRAN LTE", In IEEE 65th Vehicular technology conference (VTC2007-Spring), 22-25 April 2007, pp 1046-1050 [9] S Prince and A.M Vibin, “Optical Wireless Audio Communication Using LED Lighting System”, in Wireless Personal Communications, Vol 86, Issue 3, Feb 2016, pp: 1159–1168  ... thực cho chuyển giao hai Coordinator III.1 Giao thức chuyển giao nội vùng Trong phần này, tóm tắt ba giao thức chuyển giao nội vùng có đề xuất giao thức chuyển giao nội vùng có tên gọi giao thức. .. liệu Giao thức chuyển giao liên kết truyền thống áp dụng cho chuyển giao liên vùng gây độ trễ liệu tăng lên thông lượng người dùng giảm Để khắc phục vấn đề nêu thực chuyển giao liên kết liên. .. và APtarget điểm truy nhập mà UE chuyển giao liên kết tới Trước hết, ta khái quát lại nguyên lý giao thức chuyển giao liên kết liên quan i) Giao thức chuyển giao dựa thơng tin vị trí (Location