Bài viết Cải thiện hoạt động của các trạm chuyển tiếp để duy trì kết nối cho các cuộc gọi chuyển giao trong hệ thống 4G LTE bằng kỹ thuật chuyển tiếp kênh mô tả nguyên lý CRS; Phân tích các nội dung về duy trì kết nối cho các cuộc gọi chuyển giao trong 4G LTE áp dụng CRS
Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (06/2022), 526-539 Transport and Communications Science Journal IMPROVING THE OPERATION OF RELAY STATIONS TO MAINTAIN THE CONNECTIONS FOR HANDOVER CALLS IN 4G LTE SYSTEM BY CHANNEL RELAYING STRATEGY Ngo The Anh*, Tran Huynh Minh Tan, Pham Huyen Trang, Le Ngoc Thach University of Transport and Communications – Campus in Ho Chi Minh City, 450 Le Van Viet, Thu Duc City, Ho Chi Minh City, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 14/04/2022 Revised: 01/06/2022 Accepted: 08/06/2022 Published online: 15/06/2022 https://doi.org/10.47869/tcsj.73.5.7 * Corresponding author Email: anhnt_ph@utc.edu.vn; Tel: +84 948866699 Abstract In general, Relay Stations (RS) have been used in the 4G LTE systems to extend the coverage or to improve the wireless links in a certain area of a certain Base Station (BS) via relaying the information between BS and particular Mobile User (MU) This use of RS leads to the use of frequency resource assigned to BS has really not been optimised Moreover, maintaining the radio connection for handover calls in mobile communication systems still remain the challenge to both researchers and services providers The use of RS to enhance the successful probability for handover calls as well as to utilise efficiency the frequency resource is the interesting topic for researchers In this paper, RS not only helps the BS to expend the coverage but also to exploit capacity maximally for new calls while still satisfy the channel requests for handover calls from MU, even from MU using real time data services Furthermore, the use of RS in this paper also provided an additional view to the researchers in term of channel allocation to BS efficiency to optimise the channel utilisation in the system The simulation results show that when the BS have been assigned 30 frequency channels, the use of RS allows to guarantee the probability of handover success is above 99.9% Keywords: relay station, handover, quality of service, real time data connection, frequency resource utilisation, 4G-LTE @ 2022 University of Transport and Communications 526 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (06/2022), 526-539 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải CẢI THIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP ĐỂ DUY TRÌ KẾT NỐI CHO CÁC CUỘC GỌI CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 4G LTE BẰNG KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP KÊNH Ngô Thế Anh*, Trần Huỳnh Minh Tân, Phạm Huyền Trang, Lê Ngọc Thạch Trường Đại học Giao thông vận tải – Phân hiệu Thành phố Hồ Chí Minh, Số 450 Lê Văn Việt, Thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 14/04/2022 Ngày nhận sửa: 01/06/2022 Ngày chấp nhận đăng: 08/06/2022 Ngày xuất Online: 15/06/2022 https://doi.org/10.47869/tcsj.73.5.7 * Tác giả liên hệ Email: anhnt_ph@utc.edu.vn; Tel: +84 948866699 Tóm tắt Thơng thường, trạm chuyển tiếp RS (Relay Station) sử dụng hệ thống 4G LTE với mục đích mở rộng vùng phục vụ cải thiện chất lượng phủ sóng cho vùng trạm gốc BS (Base Station) thông qua việc chuyển tiếp thông tin trạm gốc BS tới người sử dụng di động MU (Mobile User) cụ thể Điều làm cho việc sử dụng tài nguyên tần số vô tuyến cấp phát cho BS chưa thực tối ưu Ngoài ra, việc trì kết nối cho gọi chuyển giao hệ thống thông tin di động thách thức với nhà nghiên cứu nhà cung cấp dịch vụ di động Việc sử dụng RS để nâng cao tỉ lệ thành công cho gọi chuyển giao tận dụng hiệu tài nguyên tần số đề tài hấp dẫn cho nhà nghiên cứu Trong báo này, RS sử dụng để mở rộng vùng phủ BS mà giúp cho BS khai thác tối đa dung lượng cho gọi mà đáp ứng yêu cầu phục vụ gọi chuyển giao, kể với MU sử dụng dịch vụ liệu (data) thời gian thực Hơn nữa, việc sử dụng RS giúp cho nhà khai thác mạng có thêm góc nhìn việc cấp phát dung lượng hợp lý cho BS nhằm tối ưu hóa toán sử dụng tần số hệ thống Các kết mô BS cấp 30 kênh tần số, việc sử dụng RS cho phép bảo đảm xác suất chuyển giao thành công 99,9% Từ khóa: trạm chuyển tiếp, chuyển giao, chất lượng dịch vụ, kết nối liệu thời gian thực, tận dụng tài nguyên tần số, 4G-LTE @ 2022 Trường Đại học Giao thơng vận tải 527 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số (06/2022), 526-539 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, hệ thống thông tin di động hệ thứ tư 4G LTE (4th Generation Long Term Evolution) thương mại hóa rộng rãi để đáp ứng cho dịch vụ di động tốc độ cao Nói cách khác, coi 4G LTE hệ thống di động băng rộng đầy đủ hệ thông tin di động dựa thông số là: tốc độ liệu cung cấp cho MU đạt tới 300 Mbit/s với băng thông 20 MHz [1] Để đạt kết ấn tượng đó, hệ thống 4G LTE đòi hỏi băng tần tương ứng đủ lớn Tuy nhiên, tài nguyên tần số cung cấp cho hệ thống thông tin di động ngày trở nên khan Trong đó, yêu cầu băng tần cho việc khai thác mở rộng hệ thống nhà cung cấp dịch vụ viễn thông di động không ngừng tăng lên [2] Trong chờ đợi nguồn tài nguyên phê duyệt cách hạn chế, nhà cung cấp dịch vụ di động phải tận dụng băng tần cung cấp để bảo đảm chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) hoạt động hệ thống, đặc biệt hoạt động chuyển giao [3-8] Chuyển giao kết việc MU di chuyển tự sử dụng dịch vụ mạng hoạt động hệ thống thông tin di động Trong hoạt động chuyển giao này, việc bảo đảm kết nối cho MU di chuyển thực thách thức cho nhà nghiên cứu nhà cung cấp dịch vụ di động [4-8] Đặc biệt, việc gia tăng đáng kể loại hình dịch vụ số liệu (data) thời gian thực gọi hình ảnh (video call), ứng dụng địi hỏi kết nối trực tiếp với băng tần lớn MU di chuyển hội nghị truyền hình, giáo dục trực tuyến, y tế từ xa lại lần đặt các thách thức băng tần chất lượng dịch vụ tương ứng nhà khai thác mạng lưới [9] Một cách ngắn gọn, việc tận dụng tài nguyên tần số để bảo đảm tiêu QoS thông qua số xác suất rớt gọi (call dropping propability) 4G LTE cho loại hình dịch vụ thoại (voice) số liệu (data) đặt cho nhà nghiên cứu Hình Chuyển tiếp 4G LTE [1] Trong [1], RS sử dụng trạm lặp (repeater) để cải thiện vùng phủ sóng BS mơ tả hình 1, “Donor cell” trạm gốc (còn gọi eNode B hay Node B cải tiến hệ thống 4G LTE), cịn “Relay cell” trạm chuyển tiếp Mơ hình chuyển tiếp đề xuất phiên phát hành thứ 10 (Release 10) hệ thống 4G LTE, có đường kết nối vô tuyến đường “backhaul” BS đến RS, đường “access” RS MU Đường “backhaul” “đường chính” sử dụng cho kết nối thức BS node (bao gồm UE RS), đường “access” đường “truy nhập” mang ý nghĩa giúp cho UE truy nhập vào mạng lõi (tới BS) thông qua RS Mỗi đường kết nối nằm băng tần tương ứng hệ thống Như vậy, RS phải hoạt động lúc băng tần nên dẫn tới việc xảy nhiễu tần số RS Ngồi ra, RS hoạt động hai chế độ: khuếch đại chuyển tiếp AF (Amply and Forward) giải mã chuyển tiếp DF (Decoded and Forward) Trong chế độ AF, RS khuếch đại ln tín hiệu nhiễu can thiệp vào đường truyền vô tuyến nên thường ảnh hưởng đến giá trị tỉ số tín hiệu nhiễu SNR (Signal to Noise Ratio) Tuy nhiên, chế hoạt động AF thường đơn giản 528 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (06/2022), 526-539 thời gian trễ nhỏ không cần phải xử lý tín hiệu RS Ngược lại, chế hoạt động DF cần thời gian giải mã khôi phục tín hiệu RS phát tới đích nên phức tạp hơn, thời gian trễ lớn giá trị SNR đạt chế DF tốt tín hiệu nhiễu khử bỏ RS trước phát Cho dù hoạt động chế nào, RS đơn trạm lặp để cải thiện số SNR nhằm đạt giá trị dung lượng kênh (channel capacity) tối đa kênh vơ tuyến Các tính tốn cho phép đạt giá trị tiệm cận với dung lượng kênh Shannon [10-11] cải thiện cách đáng kể thông số mạng xác suất dừng (Outage Probability), thông lượng (throughput), trễ (delay) Các nghiên cứu theo hướng tiếp cận với chuyển tiếp quan điểm chuyển tiếp lớp vật lý, tức cải thiện tham số đường truyền vật lý để đạt giá trị tốt kênh truyền dẫn cung cấp Trong đó, câu hỏi việc dung lượng kênh vô tuyến hệ thống khai thác tận dụng khơng đề cập tài liệu Đặc biệt, làm để đảm bảo QoS trường hợp lưu lượng vùng hệ thống tăng lên cách đột biến khoảng thời gian định thách thức lớn cần nghiên cứu Một cách ngắn gọn, chuyển tiếp lớp vật lý cải thiện hiệu mạng sau kênh vô tuyến phân chia cho MU Ngược lại, trước kênh vô tuyến phân chia, kỹ thuật phân chia để bảo đảm tài nguyên vô tuyến tận dụng tốt nhằm thỏa mãn yêu cầu kết nối MU, đặc biệt yêu cầu cấp kênh cho gọi chuyển giao MU không giải lớp vật lý mà nằm lớp cao Đây động lực cho nghiên cứu báo Trong hệ thống thơng tin di động, có loại hình gọi là: gọi gọi chuyển giao Cuộc gọi hiểu gọi xuất phát từ MU lần đầu mở máy quay số để yêu cầu kết nối, gọi chuyển giao MU gọi di chuyển sang vùng phục vụ BS khác Cả loại hình gọi yêu cầu cấp kênh vô tuyến để kết nối sử dụng dịch vụ mạng hệ thống đáp ứng khác cho yêu cầu Đối với gọi chuyển giao, việc bị ngắt ngang đàm thoại mang đến cảm giác khó chịu nhiều lời phàn nàn từ khách hàng việc thông báo tạm thời chưa thể phục vụ đề nghị thực lại gọi Như vậy, gọi chuyển giao ln có mức độ ưu tiên cao hơn, thông thường, để bảo đảm số rớt gọi cho phép, nhà cung cấp dịch vụ di động cần phải sử dụng kỹ thuật dự trữ kênh [5-6, 1213] Trong trường hợp này, dung lượng BS không sử dụng tối đa cho gọi Kỹ thuật chuyển tiếp kênh CRS (Channel Relaying Strategy) đề xuất để tận dụng tối đa dung lượng BS cho gọi mà bảo đảm kết nối hợp lý cho gọi chuyển giao [4] Trong CRS, RS sử dụng để hoán đổi kênh (channel swapping) BS nguồn (nơi MU phục vụ) BS đích (nơi MU chuyển giao tới) nên không yêu cầu việc dự trữ kênh cho gọi chuyển giao BS Tuy nhiên, nghiên cứu này, tác giả tính tốn cho gọi thoại (voice calls) với thời gian kết nối ngắn mà chưa tính tốn đến gọi số liệu thời gian thực với thời gian chiếm kênh lâu nhiều so với thời gian chiếm kênh gọi thoại Hơn nữa, tính tốn [4] áp dụng với BS có bán kính phủ sóng lớn, BS 4G LTE có bán kính phủ sóng nhỏ Đây động lực cho tính tốn báo Phần lại báo cấu trúc sau Mục mô tả nguyên lý CRS Mục phân tích nội dung trì kết nối cho gọi chuyển giao 4G LTE áp dụng CRS Mục trình bày kết tính tốn, Mục kết luận báo 529 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số (06/2022), 526-539 NGUYÊN LÝ CHUYỂN TIẾP KÊNH CRS Trong thực tế, MU thường phân bố không đồng lưu lượng hệ thống không đồng BS Do đó, với lượng tài nguyên tần số nhau, xảy tượng thừa thiếu kênh tần số cách tương đối BS Tức là, lưu lượng vài BS tăng lên cách cục (thường xảy có kiện tập trung đông người lễ hội, hội nghị, khu vui chơi vào ngày cuối tuần) BS không đủ tài nguyên tần số để đáp ứng cho yêu cầu gọi MU mà tất kênh tần số BS bị chiếm dụng; đồng thời, MU di chuyển tập trung cục vài BS liên quan đến kiện BS lân cận lại có lưu lượng thấp hẳn nên không sử dụng hết kênh tần số cung cấp [4-5, 14] Các BS có lưu lượng cao thiếu kênh tần số gọi BS “nóng”, cịn BS có lưu lượng thấp thừa kênh tần số gọi BS “lạnh” Trước có kỹ thuật CRS, người ta nghiên cứu đề xuất kỹ thuật mượn kênh kỹ thuật gặp phải vấn đề nhiễu đồng kênh làm hạn chế khả mượn kênh tự làm tăng tỉ lệ chuyển giao nội vùng BS (inner-cell handover) làm tăng yêu cầu xử lý chuyển giao hệ thống Do đó, kỹ thuật mượn kênh không khai thác cách hiệu tần số rảnh BS “lạnh” [14] CRS khắc phục nhược điểm thực hóa tốn mượn kênh thơng qua việc sử dụng RS đặt BS phép chuyển tiếp lưu lượng vượt ngưỡng từ BS “nóng” sang BS “lạnh” cách tự mà không gặp phải hạn chế nhiễu làm giảm tỉ lệ gọi chuyển giao hệ thống [4-5] 2.1 Mơ hình ngun lý u cầu CRS Hình Sơ đồ nguyên lý CRS Mơ hình CRS thể hình 2, có BS RS tương ứng C1, C2, C3, R1, R2, R3, R4 Vị trí bán kính phục vụ RS nằm đỉnh BS với bán kính nửa bán kính BS phân tích [4-5] Có loại CRS tương ứng với loại hình gọi: CRS tĩnh SCRS (Static CRS) cho gọi CRS chuyển giao HCRS (Handover CRS) cho gọi chuyển giao Để mơ tả cách ngắn gọn nguyên lý SCRS HCRS, giả sử C1 C2 BS “nóng”, C3 BS “lạnh” Ngoài ra, BS làm việc kênh tần số 4G LTE, RS làm việc kênh tần số chuyển tiếp (thường đề xuất 530 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (06/2022), 526-539 vùng tài nguyên ISM (Industry, Science, Medicine) dùng cho Công nghiệp, Khoa học, Y tế tương ứng Tuy nhiên, để hệ thống làm việc được, RS phải kết nối với BS MU kênh 4G LTE ISM Điều đồng nghĩa với việc MU phải có khả hoạt động băng tần ISM để kết nối với RS, bên cạnh việc hoạt động băng tần 4G LTE truyền thống 2.2 Chuyển tiếp kênh tĩnh SCRS Trong hình 2, giả sử UE2.1 UE2.2 MU nằm vùng phủ sóng BS “nóng” C2 yêu cầu thiết lập gọi Do C2 BS “nóng” nên khơng cịn kênh khả dụng để đáp ứng cho MU Khi đó, chế CRS kích hoạt phép C2 mượn kênh từ BS “lạnh” C3 sau Đối với trường hợp UE2.1, vị trí nằm vùng phục vụ R1 nên chế kết nối SCRS là: R1 kết nối với C3 kênh khả dụng C3 (C3 → R1), sau đó, R1 kết nối với UE2.1 kênh ISM (R1 → UE2.1) Lúc này, hệ thống 4G LTE xử lý việc cấp kênh tần số cho R1 MU truyền thống, hay UE2.1 C1 cấp kênh thông qua R1 (C3 → R1 → UE2.1) Trong trường hợp UE2.2, khơng nằm vùng phục vụ RS C2 C3 nên việc cấp kênh trực tiếp cho UE2.2 từ C3 thông qua RS thực Lúc này, áp dụng thêm kỹ thuật hốn đổi kênh sau: tìm MU sử dụng kênh tần số C2 (giả sử UE2.3) nằm vùng phục vụ RS nằm C2 C3 (giả sử R3 hình 2) Thực CRS cho UE2.3 tương tự với UE2.1 để cấp kênh từ C3 cho UE2.3 (C3 → R3 → UE2.3) Sau áp dụng CRS, UE2.3 giải phóng kênh mà C2 cung cấp Lúc này, C2 lấy kênh mà UE2.3 giải phóng để kết nối cho UE2.2 (C2 → UE2.2) Như vậy, hoán đổi kênh làm tăng khả phục vụ hệ thống lên cách đáng kể 2.3 Chuyển tiếp kênh chuyển giao HCRS Cần phải nhắc lại giả sử cell C1 C2 hình BS “nóng”, cịn C3 BS “lạnh” Như vậy, MU thực việc chuyển giao gọi từ C1 C2 sang C3 phục vụ kênh khả dụng C3 Vấn đề khó khăn nhiều MU thực chuyển giao sang BS “nóng” tất kênh tần số BS bị chiếm dụng Các trường hợp cần phải áp dụng HCRS để trì kết nối cho gọi chuyển giao hình là: chuyển giao từ C3 sang C1 C2 (từ BS “lạnh” sang BS “nóng”), chuyển giao C1 C2 (chuyển giao BS “nóng”) Nguyên lý HCRS trường hợp tương tự nhau, sử dụng CRS kết hợp nguyên lý hoán đổi kênh (channel swapping) để tăng xác suất chuyển giao thành công hệ thống Để tìm hiểu nguyên lý HCRS, giả sử UE1 C1 thực chuyển giao sang C2 mơ tả hình Do C1 C2 BS “nóng” nên C2 khơng cịn kênh khả dụng cho gọi chuyển giao UE1 Trong thực tế, khơng có RS gọi UE1 tính chuyển giao UE1 vượt qua đường ranh chung (cạnh chung) C1 C2 trình đàm thoại di chuyển Tuy nhiên, RS triển khai UE1 di chuyển vào vùng phục vụ C2 tiếp tục cấp kênh tần số từ C1 thông qua R2 sau: C1 → R2 (trên kênh UE1 có) R2 → UE1 (trên kênh chuyển tiếp) Đây ý nghĩa mở rộng vùng phủ sóng RS kỹ thuật CRS mà kết nối vô tuyến UE cung cấp BS kênh tần số hệ thống 4G LTE trì chừng UE nằm vùng phục vụ RS Trong trường hợp gọi UE1 đủ lâu đến mức di chuyển khỏi vùng phủ sóng 531 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (06/2022), 526-539 R2, lúc UE1 phải giải phóng kênh C1 mà chiếm Để trì gọi cho UE1, hệ thống cần phải tìm MU C2 sử dụng kênh tần số C2 cấp, đồng thời đứng vùng phủ sóng RS đặt C1 C2 Giả sử UE2.4 thỏa mãn điều kiện (sử dụng kênh C2, đàm thoại, đứng vùng phủ sóng R1) mơ tả hình Lúc này, UE2.4 chuyển qua kết nối với R2 để phục vụ kênh UE1 giải phóng trước thơng qua kết nối C1 → R1 → UE2.4, đồng thời, UE2.4 giải phóng kênh C2 chiếm để C2 chuyển kênh qua phục vụ UE1 (C2 → UE1) nguyên lý hoán đổi kênh đề cập Đây ý nghĩa HCRS việc trì kết nối để giảm tỉ lệ rớt gọi chuyển giao (call dropping) hệ thống thông tin di động DUY TRÌ KẾT NỐI CHO CÁC CUỘC GỌI CHUYỂN GIAO TRONG 4G LTE BẰNG KỸ THUẬT HCRS 3.1 Xác suất chuyển giao gọi HCRS Hoạt động chuyển giao MU hệ thống phụ thuộc vào tham số sau đây: vị trí ban đầu MU BS, mơ hình di chuyển, thời gian chiếm giữ kênh (thời gian kết nối gọi) MU Có thể áp dụng cơng thức tính Erlang để tính xác suất chuyển giao thất bại Pd công thức (1): T NC Pd = (T NC k =0 NC ! k (1) ) k! Trong đó, N C số kênh tần số cấp cho BS, T lưu lượng gọi BS, Pd tính xác suất yêu cầu gọi bị từ chối giá trị Pd gọi cấp độ dịch vụ GoS (Grade of Service) [15] Trong thực tế lưu lượng T BS bao gồm lưu lượng gọi (cuộc gọi khởi tạo BS) lưu lượng gọi chuyển giao (cuộc gọi từ BS xung quanh chuyển tới) Thơng thường, lưu lượng T tính công thức (2) T= = t (2) Với , tương ứng tốc độ gọi đến (call arrival rate) tốc độ kết thúc gọi (call terminated rate) thường chọn theo phân bố Poisson phân bố hàm số mũ âm Tốc độ kết thúc gọi liên quan đến thời gian chiếm giữ kênh (thời gian đàm thoại) công thức (3): e − t , f (t ) = 0, t 0 t0 (3) Để có lưu lượng chuyển giao, trước hết MU phải thiết lập gọi thành công BS cụ thể Như vậy, lưu lượng chuyển giao tính thơng qua xác suất chuyển giao MU Để tính tốn xác suất chuyển giao, báo tập trung vào việc đánh giá khả mà MU di chuyển khỏi vùng phục vụ BS thời thời gian đàm thoại MU, kể từ lúc MU bắt đầu khởi tạo gọi BS Các tham số 532 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (06/2022), 526-539 để tính tốn xác suất chuyển giao sử dụng là: vị trí ban đầu MU BS, tốc độ hướng di chuyển, thời gian đàm thoại MU [4-5] Các tính toán nghiên cứu tham khảo từ [4-5,7-8,16] hình với giả định sau: 1) Giả sử MU có vị trí ban đầu U xác định theo d = d (C1,U) cell (BS) C1 với hàm phân bố ngẫu nhiên công thức (4): 1 , f (d ) = R 0, 0d R (4) dR r 2) Trong trình đàm thoại, MU di chuyển với tham số: vận tốc di chuyển v , thời uuuur uuur gian đàm thoại trung bình t , hướng di chuyển = R (C1U,UD) = C1UD với D điểm đích đến (có thể) MU Trong đó: i Vận tốc di chuyển có hàm phân bố ngẫu nhiên: f (v) = vMax 0, , v vMax (5) v vMax ii Thời gian đàm thoại có hàm phân bố theo luật hàm số mũ âm công thức (3) iii Hướng di chuyển: MU di chuyển tự với hướng di chuyển phân bố ngẫu nhiên khoảng (0, 2 ) Hình Mơ hình tính tốn xác suất chuyển giao Trong [15], tác giả tính tốn chuyển giao MU di chuyển khỏi vùng phủ sóng cell hình trịn với bán kính Rtd = 0,91R với R bán kính BS (khi MU vượt qua điểm D1 hình 2) Sử dụng khái niệm tính tốn Rtd [4-5,16], coi cell tương đương cell C1 hình hình trịn có diện tích tương đương tổng diện tích thân cell C1 phần diện tích mở rộng RS bao quanh C1, bán kính cell tương đương vùng phủ hình trịn HCRS Rtd (HCRS) = 1,35R trình bày cơng thức (6) Khi áp dụng HCRS, MU tính chuyển giao vượt qua điểm D2 hình Lúc này, xác suất chuyển giao MU tính xác suất để khoảng cách từ tâm C1 trạm gốc BS phục vụ MU đến điểm dừng cuối D (Destination) MU kết thúc goi lớn bán kính tương đương Rtd (HCRS) BS Giả sử MU di chuyển với vận tốc hướng không đổi suốt đàm thoại, xác suất chuyển giao gọi Ph MU trường hợp không áp dụng có áp dụng HCRS tính công thức (7) công thức (8) 533 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (06/2022), 526-539 Rtd2 (HCRS) = ( ) 3 2 R + 6 R 2 Ph = Pr C1D Rtd = Pr Rtd (HCRS) = R 3 + 2 1,35R 2 d − d (v t ) cos + (v t )2 Rtd Ph = Pr C1D Rtd (HCRS) = Pr d − d (v t ) cos + (v t ) Rtd (HCRS) (6) (7) (8) Giá trị C1D công thức (7) (8) tính theo định lý cosine tam giác, d khoảng cách ban đầu MU bắt đầu kết nối gọi cell, α góc hướng di chuyển, v t vận tốc thời gian chiếm dụng kênh Như vậy, Ph tăng tỉ lệ thuận với v t tỉ lệ nghịch với bán kính cell Các kết tính tốn Ph thể hình hình Hình Xác suất chuyển giao gọi Ph (%) với vận tốc di chuyển 1m/s Hình Xác suất chuyển giao gọi Ph (%) với vận tốc di chuyển 5m/s 534 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (06/2022), 526-539 Nhìn chung, bán kính cell tăng lên xác suất chuyển giao giảm, cịn thời gian đàm thoại tăng xác suất chuyển giao tăng lên cách đáng kể cho trường hợp khơng có áp dụng HCRS hệ thống Thêm nữa, thấy với thời gian kết nối 300s, MU di chuyển với tốc độ trung bình người (1m/s) Ph giảm lần bán kính cell tăng từ R=300m lên R=700m (như hình 4), MU di chuyển với tốc độ 5m/s Ph giàm chưa đến 0,5 lần với mức tăng bán kính cell (như hình 5) áp dụng kỹ thuật HCRS Việc tính tốn xác suất chuyển giao mang lại ý nghĩa thiết thực cho nhà quản lý mạng để khai thác tài nguyên tần số hiệu phục vụ gọi chuyển giao Khi áp dụng kỹ thuật HCRS, xác suất chuyển giao giảm cách đáng kể làm giảm áp lực xử lý chuyển giao lên hệ thống Các giá trị hồn tồn so sánh với kết [17] 3.2 Xác suất chuyển giao thành công hệ thống áp dụng HCRS Xác suất chuyển giao thành công phản ánh khả trì gọi cho MU hệ thống Thông thường, tỉ lệ chuyển giao thất bại cho gọi thời gian thực hệ thống thông tin di động thường yêu cầu nhỏ 2%, tỉ lệ kết nối thất bại cho gọi cho phép tới 5% [18] Để đánh giá hiệu kỹ thuật HCRS, giả sử cell C1, C2, C3 hình cell “nóng” Các trường hợp xảy cho q trình chuyển giao hệ thống mơ tả hình là: chuyển giao từ C1 sang C2 ngược lại, chuyển giao từ C1 sang C3 ngược lại, chuyển giao từ C2 sang C3 ngược lại Để đánh giá hiệu HCRS, giả thiết hệ thống cell “rất nóng” với mật độ MU tập trung cao lưu lượng gọi lớn đến mức mà kênh tần số cấp cho cell bị chiếm hết cho gọi khoảng thời gian ngắn Hơn nữa, MU kết thúc gọi cell giải phóng kênh có MU khác chiếm kênh cho gọi mình; ngược lại, MU trạng thái gọi di chuyển khỏi vùng phục vụ cell thời giải phóng kênh, kênh tạm giữ để chờ kích hoạt HCRS cho việc trì gọi chuyển giao; HCRS thất bại, kênh cấp cho gọi Do vai trị cell hình nên phân tích tính tốn xác suất thành công cho gọi chuyển giao cell bất kỳ, giả sử UE1 chuyển giao từ cell C1 sang cell C2 Xác suất để gọi UE1 chuyển giao thành công tương đương với xác suất có MU cell C2 sử dụng kênh C2 để thực gọi đứng vùng phục vụ trạm chuyển tiếp R1 R2 để hốn đổi kênh trực tiếp C1 C2 thông qua R1 R2 Do tất N C kênh tần số C2 bị chiếm MU nên xác suất tính thơng qua tỉ số phần diện tích phủ sóng trạm chuyển tiếp R1 R2 nằm cell C2 với diện tích phủ sóng cell C2 mơ tả công thức (9) Srelay Pr (in − relay (C1-C2)) = − 1 − Scell NC ( ) R = − 1 − R2 NC 5 = 1− 6 NC (9) Lúc này, xác suất chuyển giao thành công hệ thống hình áp dụng HCRS với giá trị dung lượng cell khác mô tả bảng Bảng Xác suất thành công HCRS Nc P_succ (%) 10 15 20 25 30 59,81 83,85 93,51 97,39 98,95 99,58 535 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số (06/2022), 526-539 KẾT QUẢ TÍNH TỐN Sử dụng Matlab R2014b để mơ hệ thống hình việc gán tọa độ BS RS Các MU gán ngẫu nhiên theo tham số mô tả mục 3.1 với giá trị vận tốc di chuyển m/s (tương đương với khoảng 3.6 km/h) di chuyển vừa m/s (tương đương 18 km/h để phù hợp với mật độ thuê bao lưu lượng cao làm cho MU khó khăn việc di chuyển) với thời gian chiếm dụng kênh phút, 10 phút, 15 phút, 20 phút, 25 phút 30 phút cho gọi thời gian thực Lưu đồ thuật toán cho mơ thể hình Hơn nữa, mô thực theo kiện; tức sau gán tham số cho MU di chuyển hệ thống, kiện sau xảy với MU hệ thống sau khởi tạo gọi cell: 1) Kết thúc gọi (call terminated) BS mà khởi tạo gọi giải phóng kênh tần số → kích hoạt MU để chiếm kênh vừa giải phóng 2) Di chuyển khỏi BS mà khởi tạo gọi mới: a Chuyển giao thành công (handover successes) b Chuyển giao thất bại (dropped) → giải phóng kênh tần số cho BS → kích hoạt MU để chiếm kênh vừa giải phóng Hình Lưu đồ thuật tốn áp dụng HCRS hệ thống để trì gọi chuyển giao Quan sát hệ thống với số lượng kiện 106 , kết nhận xác suất chuyển giao thành công từ mô thể bảng 2, bảng 3, bảng 4, bảng 5, bảng bảng Trong đó, bảng bảng mô tả kết hệ thống với dung lượng kênh cell NC = NC = 10 , bảng bảng mô tả kết dung lượng kênh cell NC = 15 NC = 20 , bảng bảng mô tả kết dung lượng kênh cell NC = 25 NC = 30 , với tốc độ di chuyển tương ứng v = 1(m / s) v = 5(m / s) Có thể nhận thấy kết mô cao so với tính tốn lý thuyết bảng 1, tức khả trì kết nối thành cơng cho gọi chuyển giao thực tế cao Điều chứng tỏ vượt trội HCRS việc cải thiện hiệu hệ thống 536 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (06/2022), 526-539 Bảng Tỉ lệ chuyển giao thành công (%) với v = 1(m / s) , NC = NC = 10 t (phút) R(m) Nc 10 15 20 25 30 300 400 74.23 73,50 73,22 73,18 72,91 72,77 73,77 73,34 73,05 73,14 73,02 72,98 500 74,23 73,50 73,22 73,18 72,91 72,77 600 700 300 400 74,59 73,30 73,29 73,08 73,20 73,17 74,67 73,62 73,25 73,10 73,06 73,39 93,22 92,82 92,57 92,63 92,53 92,60 93,16 92,46 92,42 92,48 92,55 92,55 500 10 93,22 92,82 92,57 92,63 92,53 92,60 600 700 93,52 92,66 92,70 92,66 92,61 92,58 93,71 93,06 92,88 92,60 92,56 92,37 Bảng Tỉ lệ chuyển giao thành công (%) với v = 1(m / s) , NC = 15 NC = 20 t (phút) R(m) Nc 10 15 20 25 30 300 400 98,29 97,89 97,99 97,94 97,90 97,98 98,13 97,96 98,02 97,90 97,90 97,90 500 15 98,29 97,89 97,99 97,94 97,90 97,98 600 700 300 400 98,22 98,10 97,96 97,90 97,94 97,88 98,21 98,09 98,07 97,96 97,99 98,07 99,51 99,45 99,40 99,48 99,41 99,38 99,51 99,42 99,44 99,39 99,43 99,37 500 20 99,51 99,45 99,40 99,48 99,41 99,38 600 700 99,59 99,53 99,43 99,43 99,41 99,39 99,62 99,51 99,44 99,46 99,46 99,43 Bảng Tỉ lệ chuyển giao thành công (%) với v = 1(m / s) , NC = 25 NC = 30 t (phút) R(m) Nc 10 15 20 25 30 300 400 99,90 99,83 99,82 99,83 99,85 99,85 99,89 99,85 99,85 99,84 99,85 99,84 500 25 99,90 99,83 99,82 99,83 99,85 99,85 600 700 300 400 99,90 99,87 99,85 99,85 99,97 99,84 99,91 99,89 99,85 99,86 99,81 99,84 99,97 99,96 99,95 99,95 99,96 99,96 99,97 99,95 99,96 99,96 99,95 99,95 500 30 99,97 99,96 99,95 99,95 99,96 99,96 600 700 99,98 99,96 99,97 99,94 99,96 99,95 99,97 99,97 99,96 99,97 99,96 99,95 Bảng Tỉ lệ chuyển giao thành công (%) với v = 5(m / s) , NC = NC = 10 t (phút) R(m) Nc 10 15 20 25 30 300 400 73,08 73,31 73,16 73,33 73,20 73,07 73,01 73,14 73,45 73,09 73,16 73,02 500 73,08 73,33 73,37 73,02 73,21 73,59 600 700 300 400 73,13 73,08 73,11 73,26 73,34 73,26 72,88 73,30 73,17 73,08 73,07 73,34 92,59 92,33 92,78 92,71 92,77 92,66 92,53 92,54 92,40 92,41 92,59 92,48 537 500 10 92,46 92,59 92,50 92,68 92,64 92,50 600 700 92,51 92,63 92,46 92,75 92,54 92,58 92,55 92,55 92,66 92,67 92,61 92,51 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số (06/2022), 526-539 Bảng Tỉ lệ chuyển giao thành công (%) với v = 5(m / s) , NC = 15 NC = 20 t (phút) R(m) Nc 10 15 20 25 30 300 400 97,87 97,83 97,98 97,95 97,92 97,95 97,96 97,91 97,91 97,90 97,85 97,92 500 15 97,88 97,91 97,88 97,96 97,97 97,94 600 700 300 400 97,93 97,92 97,89 97,86 97,96 97,87 97,91 97,89 97,89 97,91 97,87 97,91 99,43 99,35 99,43 99,44 99,40 99,43 99,44 99,41 99,37 99,40 99,44 99,42 500 20 99,43 99,42 99,43 99,41 99,45 99,43 600 700 99,43 99,42 99,35 99,38 99,44 99,45 99,40 99,43 99,40 99,38 99,40 99,43 Bảng Tỉ lệ chuyển giao thành công (%) với v = 5(m / s) , NC = 25 NC = 30 t (phút) R(m) Nc 10 15 20 25 30 300 400 99,83 99,82 99,85 99,82 99,83 99,85 97,96 99,83 99,84 99,86 99,83 99,84 500 25 99,83 99,86 99,84 99,83 99,84 99,80 600 700 300 400 99,84 99,83 99,82 99,83 99,83 99,45 99,81 99,83 99,83 99,83 99,87 99,84 99,95 99,95 99,95 99,95 99,95 99,96 99,95 99,95 99,96 99,95 99,96 99,94 500 30 99,95 99,95 99,96 99,96 99,95 99,96 600 700 99,96 99,94 99,95 99,94 99,95 99,95 99,95 99,94 99,95 99,95 99,94 99,95 KẾT LUẬN Bài báo trình bày giải pháp kỹ thuật tận dụng tài nguyên tần số hệ thống 4G LTE để trì kết nối cho gọi chuyển giao thời gian thực thơng qua trạm chuyển tiếp Có đóng góp quan trọng trình bày báo, gồm đóng góp trực tiếp đóng góp gián tiếp Thứ nhất: sử dụng HCRS kết hợp hoán đổi kênh giúp mở rộng vùng phủ BS làm giảm yêu cầu chuyển giao cách đáng kể Thứ hai: báo đạt kết khả quan mô hệ thống với gọi số liệu thời gian thực chiếm kênh thời gian dài lưu lượng mạng cao với xác suất nghẽn mạng lớn Thứ ba: từ kết mô đạt với dung lượng BS NC = 30 , xem xét tính tốn tốn cấp kênh tối ưu cho loại dịch vụ để đạt hiệu tốt việc khai thác tài nguyên tần số Tuy nhiên, báo tồn số vấn đề sau Thứ nhất, việc tính tốn tốn phân chia kênh tài nguyên vô tuyến băng tần cụ thể 4G LTE cho loại hình dịch vụ hệ thống, kèm theo toán sử dụng lại tần số chưa đề cập báo Ngồi ra, việc tính tốn dừng lại mơ hình hệ thống nhỏ với vận tốc di chuyển MU mức độ thấp trung bình Cuối cùng, cần phải xem xét việc áp dụng tính tốn cho hệ thống sau 4G Các vấn đề hướng nghiên cứu thời gian tới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold, 4G LTE-Advanced Pro and The Road to 5G, Third Ed., Elsevier, London, 2016 [2] GSMA – Mobile Spectrum, Data demand explained, 2015 GSMA-Data-Demand-ExplainedJune-2015.pdf 538 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (06/2022), 526-539 [3] Ruonan Zhang, Lin Cai, Jianping Pan, Resource Management for Multimedia Services in High Data Rate Wireless Networks, SpringerBriefs in Electrical and Computer Engineering, 2017 (Chapter 4: Resource Reservation, pp.77-101) [4] Ngô Thế Anh, Hoàng Đăng Hải, Nguyễn Cảnh Minh, Tăng tỷ lệ thành công gọi chuyển giao hệ thống thông tin di động không dự trữ kênh kỹ thuật chuyển tiếp, Tạp chí Khoa học cơng nghệ Thông tin Truyền thông, (2016) 27-34 [5] Anh Ngo The, Hai Hoang Dang, Minh Nguyen Canh, Minimising reserved channels to satisfy handover requests for voice calls in mobile communication systems using handover channel relaying strategy, Journal of Science and Technology on Information and Communications, (2017) 8-13 [6] T.A.Chowdhury, R Bhattacharjee, M.Z Chowdhury, Handover Priority Based on Adaptive Channel Reservation in Wireless Networks, IEEE International Conference on Elect.Infor.Comm.Tech., 1-5, 2014 [7] Karthik Vasudeva M Simsek, D L-Perez, I Guvenc, Analysis of Handover Failures in heterogeneous Networks with Fading, IEEE Trans on Vehi.Tech., 66 (2016) 6060-6074 https://doi.org/10.1109/TVT.2016.2640310 [8] Md Mehedi Hasan, Sungoh Kwon, Jee-Hyeon Na, Adaptive Mobility Load Balancing Algorithm for LTE Small-Cell Networks, IEEE Trans on Wireless Comm., 17 (2018) 2205-2217 https://doi.org/10.1109/TWC.2018.2789902 [9] GSMA Report, The State of Mobile Internet Connectivity 2020, GSMA-State-of-Mobile-InternetConnectivity-Report-2020.pdf [10].Muhammad Asshada, Sajjad Ahmad Khan, Adnan Kavak, Kerem Kuc Dawson Ladislaus Msongaleli, Cooperative Communications Using Relay Nodes for Next-Generation Wireless Networks with Optimal Selection Techniques: A Review, IEEJ Transactions on Electrical and Electronic engineering, 14 (2019) 658–669 [11].Mohammad Asif Hossain et al., A Survey on Simultaneous Wireless Information and Power Transfer with Cooperative Relay and Future Challenges, IEEE Access, (2019) 19166 – 19198 https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.289564 [12].Q.Peng, Y Jiang, G Liu, F Cui, G.B He, W.M Wu, Channel reservation strategies for Multiple Secondary Users in Cognitive Radio Networks, Trans Tech Publications, Switzerland, AMR 989994 (2014) 3889-3892 [13].H.Halabian, P Rengaraju, C-H Lung, I Lamdadaris., A reservation-based call admission control scheme and system modelling in 4G vehicular networks, EURASIP Journal on Wireless Comm and Net., 125 (2015) 1-12 [14].Hua Jiang, Stephen S Rappaport, Prioritized channel borrowing without locking: a channel sharing strategy for cellular communications, IEEE/ACM Trans Netw., (1996) 163-172 https://doi.org/10.1109/90.490744 [15].Theodore S.Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice, Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, New Jersey 07458, 1996 [16] D Hong, S S Rappaport, Traffic model and performance analysis for cellular mobile radio telephone systems with prioritized and nonprioritized handoff procedures, IEEE Transactions on Vehicular Technology, T-35 (1986) 77-92 https://doi.org/10.1109/T-VT.1986.24076 [17].Saddam Alraih et al., Effectiveness of Handover Control Parameters on Handover Performance in 5G and beyond Mobile Networks, Hindawi Wireless Communications and Mobile Computing, 2022, 1-18 https://doi.org/10.1155/2022/2266282 [18].Bộ Thông tin truyền thông, QCVN 36:2015/BTTTT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chát lượng dịch vụ điện thoại mạng viễn thông di động mặt đất, Hà Nội 2015 539 ... Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải CẢI THIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP ĐỂ DUY TRÌ KẾT NỐI CHO CÁC CUỘC GỌI CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 4G LTE BẰNG KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP KÊNH Ngô Thế Anh*,... đổi kênh đề cập Đây ý nghĩa HCRS việc trì kết nối để giảm tỉ lệ rớt gọi chuyển giao (call dropping) hệ thống thơng tin di động DUY TRÌ KẾT NỐI CHO CÁC CUỘC GỌI CHUYỂN GIAO TRONG 4G LTE BẰNG KỸ THUẬT... Service) hoạt động hệ thống, đặc biệt hoạt động chuyển giao [3-8] Chuyển giao kết việc MU di chuyển tự sử dụng dịch vụ mạng hoạt động hệ thống thông tin di động Trong hoạt động chuyển giao này,