Nâng cao hiệu năng truyền video trong mạng 5G siêu dày đặc

Bài viết Nâng cao hiệu năng truyền video trong mạng 5G siêu dày đặc tập trung tối ưu thuật toán lập lịch công bằng nhằm nâng cao tỉ lệ truyền thành công của các gói tin video độ phân giải cao của người dùng trong mạng 5G siêu dày đặc bằng cách duy trì mức độ ưu tiên của người dùng trong 1 khoảng thời gian đủ lớn. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Nâng cao hiệu truyền video mạng 5G siêu dày đặc Cung Văn Trang, Lưu Bách Hưng, Lâm Sinh Công Khoa Điện tử - Viễn thông, trường ĐH Công nghệ Email: lbhung74@vnu.edu.vn Abstract— Nâng cao chất lượng truyền tin người dùng yêu cầu cấp thiết nhà vận hành mạng Đối với loại hình dịch vụ truyền video có độ phân giải lớn, việc đảm bảo việc truyền thành công cho gói tin dung lượng lớn yếu tố then chốt để trì chất lượng dịch vụ Bài báo tập trung tối ưu thuật toán lập lịch công nhằm nâng cao tỉ lệ truyền thành cơng gói tin video độ phân giải cao người dùng mạng 5G siêu dày trì mức độ ưu tiên người dùng khoảng thời gian đủ lớn Các kết mơ cho thấy thuật tốn đề xuất nâng cao đáng kể hiệu mạng trường hợp có nhiều người dùng người dùng chịu ảnh hưởng nhiễu từ trạm lân cận Keywords- mạng siêu dày đặc, truyền video, lập lịch công I GIỚI THIỆU Hiện nay, mạng 5G triển khai để cung cấp loại hình dịch vụ tốc độ cao, thời gian thực Bên cạnh công nghệ tiên tiến, dịch vụ mạng 5G chạy nên tảng IP, nênn khó để phân biệt loại hình dịch vụ mạng Hơn cấu trúc mạng 5G chưa hỗ trợ việc phân loại dịch vụ với Do đó, để nâng cao hiệu mạng phương pháp lập lịch, Phương pháp lập lịch công (Proportional Fair) Lập lịch CQI tốt (best CQI) hai phương pháp phổ biến sử dụng Nếu Phương pháp lập lịch CQI tốt tập trung ưu tiên phục vụ người dùng có chất lượng kết truyền tốt nhất, thuật tốn lập lịch cơng đảm bảo độ công người dùng trì hiệu mạng Do đó, báo tập trung nghiên cứu thuật toán lập lịch cơng cho mục đích nâng cao hiệu truyền video môi trường nhà Việc tối ưu thuật tốn lập lịch cơng cho truyền video nghiên cứu cơng trình trước chủ yếu cho mạng 4G Việc nghiên cứu thuật toán cho mạng 5G, đặc biệt môi trường nhà, nơi mà đường truyền UE trạm gốc gNB lúc đường truyền thẳng (Light of Sight-LOS) mà đường truyền Non – Light of Sight (NLOS), chưa nghiên cứu sâu Một cách tổng quát, lập lịch PF [1] đánh giá mức độ ưu tiên người dùng để lập lịch theo công thức sau: 𝑃𝑓𝑘 = arg 𝑀𝑎𝑥 𝑟𝑘 (𝑡)𝛼 𝑅𝑘 (𝑡)𝛽 (1) α β đại diện cho trọng số tốc độ tức thời ISBN 978-604-80-7468-5 90 tốc độ liệu trung bình (1 − 𝑅𝑘 (𝑡) = { 1 ) 𝑅 (𝑡 − 1) + 𝑟𝑘 (𝑡), 𝑇𝑐 𝑘 𝑇𝑐 (2) ) 𝑅 (𝑡 − 1), 𝑇𝑐 𝑘 (3) (1 − 𝑇𝑐 độ dài cửa sổ thời gian lấy mẫu Biểu thức (2) tương ứng với người dung k lập lịch, Biểu thức (3) sử dụng người dung k không lập lịch Trong số nghiên cứu thực hiện, H Kim, K Kim, Y Han, and J Lee cộng [2] đặt số mũ α cố định cho thông lượng tại, làm tăng thơng lượng hình thức đảm bảo mức độ ưu tiên cho người dùng khoảng thời gian định Dựa thước đo công tỷ lệ; S.-B Lee cộng [3] cố gắng thay đổi số trình tự cho người dung có kênh tốt để tối ưu tài nguyên, thay phân bổ tài nguyên hương pháp lập lịch vòng tròn Cách tiếp cận đề xuất N Bechir cộng [4] cố gắng phân bổ tài nguyên kênh cho UE chưa phân phối trước để trì cơng Tuy nhiên, số mũ sửa đổi thành nâng cao hiệu suất cơng tĩnh Những thơng số khơng thể điều chỉnh cách động để thích ứng với môi trường G Aniba and S Aissa cộng [5] giới thiệu tham số động để cập nhật số mũ α, phụ thuộc vào giá trị thông lượng rời rạc Giá trị thay đổi quy mô thời gian lớn để tránh thay đổi liên tục ảnh hưởng đến tính ổn định hệ thống Yang cộng [6] đề xuất phương pháp để thay đổi tham số β thành giá trị lớn để cung cấp công tốt cho β suy từ tính cơng trung bình q khứ thơng lượng Họ đề xuất số phương án cải thiện hiệu suất UE xunh quanh N Xu, G Vivier, W Zhou, and Y Qiang cộng [7] cung cấp cách tiếp cận để đặt số mũ β nhỏ UE bên vùng phủ sóng Nó cải thiện mức độ ưu tiên UE bên cạnh Tuy nhiên, cách tiếp cận để cập nhật số mũ α β lấy từ tham số trung bình khứ, phù hợp với kênh truyền biên đổi nhanh 5G Yamaguchi Takeuchi [8] sửa đổi phương pháp thành tính tốn tốc độ liệu trung bình 𝑅𝑘 (𝑡) Một số mũ tĩnh (1-α) thêm vào (1) để truyền liệu Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) tốc độ cao Họ kết luận α lớn nhỏ 1, giá trị thơng lượng trung bình thu hẹp so với Bộ lập lịch PF truyền thống Mức độ ưu tiên phụ thuộc nhiều vào tỉ lệ liệu Bộ lập lịch phân bổ nhiều tài nguyên kênh cho thiết bị đầu cuối gần trạm phát Nếu tham số α âm, thiết bị đầu cuối xa trạm phát ưu tiên Phương pháp cung cấp linh hoạt cho việc điều chỉnh mức độ ưu tiên UE Tuy nhiên, cơng trình nghiên cứu tác động tĩnh thông số Trong nghiên cứu gần đây, Jiteng Ma cộng hiêụ chỉnh tốc độ trung bình biểu thức lập lịch PF để tương thích với môi trường thay đổi nhanh mạng di động 5G Khi đó, tốc độ trung bình lập lịch PF tính theo cơng thức sau: { 𝑅𝑘 (𝑡) = (1 − ) 𝑅𝑘 (𝑡 − 1) + 𝑇𝑐 (1 − ) 𝑅𝑘 (𝑡 − 1), 𝑇𝑐 𝑟 (𝑡)𝛾(𝑡) , 𝑇𝑐 𝑘 𝑘 lập lịch 𝑅𝑘 (𝑡−1) 𝑘 khơng lập lịch (4) đó, số mũ γ (t) có liên quan đến chất lượng kênh truyền 𝛿(𝑡) 𝛾(𝑡) = + (5) 28 δ (t) số điều chế mã hóa Modulation and Coding Scheme (MCS) Giá trị số MCS biến thiên khoảng 1~28, phù hợp với biến động động giá trị chất lượng kênh truyền Tuy nhiên, γ (t) khái quát hóa dựa số MCS hỗ trợ hệ thống Giá trị γ (t) để giảm thiểu thời gian trễ Bộ lập lịch Giá trị số mũ γ (t) giới hạn khoảng 0,5~1,5 Sự biến thiên γ (t) thay đổi giá trị thơng lượng trung bình cho UE điều kiện kênh khác quy mô hợp lý Nó cho phép điều chỉnh mức giá trị thơng lượng trung bình kênh truyền bị biến động Về mặt lý thuyết, lập lịch có hiệu cao khả phân bổ tài nguyên theo kiểu chờ thời gian để tương tác (Time To Interactive) Tuy nhiên, khoảng thời gian 𝑇𝑐 để xác định tốc độ trung bình khơng đề cập đến báo Do đó, báo tập trung tối ưu khoảng thời gian 𝑇𝑐 cho môi trường biến động nhanh mạng 5G II TỐI ƯU HĨA THUẬT TỐN LẬP LỊCH CƠNG BẰNG Việc lựa chọn trọng số 𝑇𝑐 có ảnh hưởng lớn đến việc xác định điểm ưu tiên cho người dùng Theo công thức (4), ta thấy:  Với giá trị 𝑇𝑐 nhỏ, trọng số − ~0 𝑇𝑐 Khi đó, ảnh hưởng tốc độ trung bình thời điểm 𝑡 − , 𝑅𝑘 (𝑡 − 1), lên tốc độ trung bình thời điểm 𝑡 , 𝑅𝑘 (𝑡) , nhỏ Ngược lại, ảnh hưởng giá trị tức thời 𝑟𝑘 (𝑡) lên tốc độ trung bình 𝑅𝑘 (𝑡) lớn Do đó, giá trị 𝑇𝑐 thường dùng trường hợp có mơi trường tốc độ liệu người dùng thay đổi nhanh  Với giá trị 𝑇𝑐 nhỏ, trọng số ~0 Khi đó, 𝑇𝑐 ISBN 978-604-80-7468-5 𝑅𝑘 (𝑡 − 1) thành phần chủ yếu đóng góp vào giá trị trung bình 𝑅𝑘 (𝑡), giá trị tốc độ tức thời 𝑟𝑘 (𝑡) dường khơng có ảnh hưởng đến việc tính điểm người dùng Các giá trị 𝑇𝑐 nhỏ, thường dùng cho môi trường truyền ổn định tốc độ liệu người dùng thay đổi Trong hệ thống mạng thực tế, việc thay đổi môi trường truyền người dùng ảnh hưởng nhiều không gian tốc độ di chuyển người dùng Hơn nữa, việc áp dụng nhiều phương pháp tính điểm khác hệ thống không khả thi Do đó, cần có biểu thức xác định trọng số tốc độ trung bình 𝑅𝑘 (𝑡 − 1) tốc độ thức thời 𝑟𝑘 (𝑡) theo điều kiện tức thời việc truyền tin Bài báo đề xuất phương pháp xác định trọng số 𝑇𝑐 sau: 𝑟 (𝑡) 𝑇𝑐 = 𝑘 (6) 91 Khi đó, biểu thức tính giá trị tốc độ trung bình 𝑅𝑘 (𝑡) viết lại sau 𝑅𝑘 (𝑡) 𝑅𝑘 (𝑡 − 1) ) 𝑅𝑘 (𝑡 − 1), 𝑟𝑘 (𝑡) = 𝑅𝑘 (𝑡 − 1) (1 − ) 𝑅𝑘 (𝑡 − 1), 𝑟𝑘 (𝑡) { (2 − 𝑘 lập lịch 𝑘 không lập lịch Ngoài ra, điều kiện sau bổ xung để loại trừ 𝑅𝑘 (𝑡) nhận giá trị âm vô nhỏ 𝑅 (𝑡) 𝑅𝑘 (𝑡) > 128 𝑅𝑘 (𝑡) = { 𝑘 (8) 128 ngược lại Trong giá trị 128 kb/s giá trị tối thiểu người dùng cần có để thực việc truyền tin Việc thiết lập giá trị cực tiểu cho 𝑅𝑘 (𝑡) cần thiết để loại trừ trường hợp xác định điểm ưu tiên 𝑃𝑓𝑘 khơng xác cho số loại hình dịch vụ có tính chất tức thời Ví dụ với người dùng sử dụng dịch vụ MMS offline voice message, giá trị 𝑟𝑘 (𝑡) tăng đột biến khoảng thời gian ngắn tốc độ trung bình 𝑟 (𝑡) 𝑅𝑘 (𝑡 − 1)~0 Khi đó, 𝑃𝑓𝑘 = 𝑘 → ∞ Người 𝑅𝑘 (𝑡−1) dùng trường hợp ưu tiên tối đa họ khơng có liệu để truyền III MƠ HÌNH MƠ PHỎNG [9] Trong mơ hình mô xây dựng công cụ 5G-air-simulator [10] chạy hệ điều hành Ubuntu, ta giả thiết trạm gNodeB hoạt động tần số GHz cấp băng thông 20 MB để phục vụ không gian văn phòng mở (Open Indoor Office) Người dùng phân bố rìa cell thực việc truyền Video với độ phân giải 480p Theo 3GPP, mơ hình truyền sóng mơi trường Open Indoor Office xác định thơng qua mơ hình Dual Slope: LOS NLOS Trong đó, xác suất đường truyền người dùng trạm gNodeB Hình đường truyền thẳng LOS xác định công thức sau: Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thơng Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) Hình – Mơ hình khoảng cách trạm phát người dùng 𝑃𝑟𝐿𝑂𝑆 = , 𝑑2𝐷𝑖𝑛 ≤ 5𝑚 𝑒𝑥𝑝 (− { 𝑒𝑥𝑝 (− 𝑑2𝐷𝑖𝑛 −5 ) 70.8 𝑑2𝐷𝑖𝑛−49 211.7 ) ∗ 0.54 , 5𝑚 ≤ 𝑑2𝐷𝑖𝑛 ≤ 49𝑚 , 5𝑚 ≤ 𝑑2𝐷𝑖𝑛 ≤ 49𝑚 (9) Khi đó, mức suy hao cơng suất theo khoảng cách môi trường đường truyền thẳng tính theo cơng thức sau: 𝑃𝐿𝐼𝑛𝐻−𝐿𝑂𝑆 = 32.4 + 17.3 log10 (𝑑3𝐷 ) + 20 log10 (𝑓𝑐 ) (10) Khi suy hao môi trường 𝜎𝑆𝐹 = khoảng cách theo không gian chiều thỏa mãn 1𝑚 ≤ 𝑑3𝐷 ≤ 150𝑚 cơng suất suy hao tính theo cơng thức sau Hình – Mơ hình 01 trạm gNodeB Các kết mô thu sau - Thông lượng: 𝑃𝐿𝐼𝑛𝐻−𝐿𝑂𝑆 = max(𝑃𝐿𝐼𝑛𝐻−𝐿𝑂𝑆 , 𝑃𝐿′𝐼𝑛𝐻−𝐿𝑂𝑆 ) 𝑃𝐿′𝐼𝑛𝐻−𝐿𝑂𝑆 = 38.3 log10 (𝑑3𝐷 ) + 17.30 + 24.9 log10 (𝑓𝑐 ) (11) Khi suy hao môi trường 𝜎𝑆𝐹 = 8.03 với khoảng cách 1𝑚 ≤ 𝑑3𝐷 ≤ 150𝑚, đó: 𝑑3𝐷−𝑜𝑢𝑡 + 𝑑3𝐷−𝑖𝑛 = √(𝑑2𝐷−𝑜𝑢𝑡 + 𝑑2𝐷−𝑖𝑛 )2 + (ℎ𝐵𝑆 − ℎ𝑈𝑇 )2 IV KẾT QUẢ Kết mô đánh giá thông qua tham số:  Thông lượng (throughput) lưu lượng truyền thành công qua mạng  Độ trễ (delay) thời gian trễ trung bình việc truyền gói tin từ nguồn đến đích Trong trường hợp này, đường truyền coi hồn hảo nên thời gian trễ thời gian gói tin chờ để lập lịch  Tỉ lệ gói tin (PLR) tính tỉ lệ số lượng gói tin bị số lượng gói tin truyền * Trường hợp 1: 01 trạm gnodeB, UE phân bố ngẫu nhiên biên vùng phủ sóng Giả thiết trạm phủ sóng vùng có bán kính 50m ISBN 978-604-80-7468-5 92 Hình - Thông lượng 01 trạm gNodeB Từ kết mơ Hình 3, ta nhận thấy việc áp dụng thuật toán tối ưu, số lượng UE cịn thấp, thơng lượng hệ thống khơng có nhiều thay đổi Tuy nhiên, số lượng UE tăng, thông lượng hệ thống tăng lên 24% từ 0,174Mb/s đến 0,216Mb/s * Độ trễ: Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) Hình - Độ trễ 01 trạm gNodeB Từ kết mô Hình 4, ta nhận thấy việc áp dụng thuật tốn tối ưu khơng làm gia tăng độ trễ hệ thống so với thông thường * Tỉ lệ gói tin: Hình – Mơ hình 03 trạm gnodeB Theo đó: - Thơng lượng: Hình - Thơng lượng 03 trạm gnodeB Hình - Tỷ lệ gói tin 01 trạm gNodeB Từ kết mơ Hình 5, ta nhận thấy việc áp dụng thuật toán tối ưu, số lượng UE tăng, tỷ lệ gói tin giảm (giảm 69% từ 0,234 xuống 0,073) Như vậy, từ kết mơ khẳng định, trường hợp có 01 trạm gốc, thuật tốn tối ưu phát huy hiệu việc gia tăng số lượng UE phục vụ hệ thống mà tham số thông lượng, độ trễ tỷ lệ gói tin đáp ứng yêu cầu cần có dịch vụ * Trường hợp 2: 03 trạm gNodeB liền kề nhau, UE phân bố biên cell Giả thiết 03 trạm có bán kính 30m, vùng phủ 03 trạm tương đương vùng phủ 01 trạm có bán kính 50m ISBN 978-604-80-7468-5 93 Từ kết mơ Hình 7, ta nhận thấy việc áp dụng thuật toán tối ưu, từ số lượng UE cịn thấp giúp tăng thơng lượng hệ thống Khi số lượng UE nhiều, thông lượng tăng lên 53% từ 0,285Mb/s đến 0,437Mb/s * Độ trễ: Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) cầu tỷ lệ gói tin giảm 23% trường hợp đặt trạm phát phục vụ 42 người dùng (14 người dùng/cell) so với 20 người dùng trường hợp sử dụng trạm phát Đáp ứng nhu cầu ngày dày đặc UE khu vực phục vụ Hình - Độ trễ 03 trạm gnodeB Từ kết mơ Hình 8, ta nhận thấy việc áp dụng thuật tốn tối ưu khơng làm gia tăng độ trễ hệ thống tăng số lượng UE so với thơng thường * Tỉ lệ gói tin: V KẾT LUẬN Bài báo thực nghiên cứu thuật toán Lập lịch công cho việc truyền video mạng thông tin di động 5G siêu dày đặc, nơi mà trạm phát bố trí cách dày đặc người dùng giả thiết truyền video tốc độ cao Thuật tốn Lập lịch cơng đề xuất nhằm trì mức độ ưu tiên người dùng khoảng thời gian định, từ nâng cao khả truyền thành cơng gói tin video có dung lượng lớn, tốc độ cao môi trường biến động lớn – môi trường nhà Các kết mơ thơng lượng, tỉ lệ gói tin độ trễ gói tin cho thấy rằng, thuật tốn Lập lịch cơng đề xuất báo giúp nâng cao hiệu truyền video mạng 5G siêu dày đặc trường hợp số lượng người dùng đủ lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jiteng Ma, Adnan Aijaz, Mark Beach, Recent Results on Proportional Fair Scheduling for mmWave-based Industrial Wireless Networks, vol III Review of SPF Scheduling Techniques, arXiv:2007.05820v1, 2007 [2] H Kim, K Kim, Y Han, and J Lee, An Efficient Scheduling Algorithm for QoS in Wireless Packet Data Transmission, IEEE PIMRC, vol 5, 2002, pp 2244–2248, 2002 [3] S.-B Lee et al, Proportional Fair Frequency-domain Packet Scheduling for 3GPP LTE Uplink, IEEE INFOCOM 2009, 2009, pp 2611–2615, 2009 [4] N Bechir et al, Novel Scheduling Algorithm for 3GPP Downlink LTE Cellular Network, MoWNet, 2014, pp 116– 122, 2014 [5] G Aniba and S Aissa, Adaptive Proportional Fairness for Packet Scheduling in HSDPA, IEEE GLOBECOM, vol 6, 2004, pp 4033–4037, 2004 [6] D Yang et al, Towards Opportunistic Fair Scheduling in Wireless Networks, IEEE ICC, vol 11, 2006, pp 5217– 5221, 2006 Hình - Tỷ lệ gói tin 03 trạm gnodeB Từ kết mơ Hình 9, ta nhận thấy việc áp dụng thuật toán tối ưu, số lượng UE tăng, tỷ lệ gói tin giảm (giảm 34% từ 0,552 xuống 0,365) Như vậy, từ kết mơ khẳng định, trường hợp có 03 trạm gốc, thuật tốn tối ưu phát huy hiệu việc gia tăng số lượng UE phục vụ hệ thống mà tham số thông lượng, độ trễ tỷ lệ gói tin đáp ứng yêu cầu cần có dịch vụ Giả sử mơ hình dịch vụ yêu ISBN 978-604-80-7468-5 94 [7] N Xu, G Vivier, W Zhou, and Y Qiang, A Dynamic PF Scheduler to Improve the Cell Edge Performance, IEEE VTC, 2008, pp 1–5, 2008 [8] A Yamaguchi and Y Takeuchi, Forward Link Packet Scheduler for High-speed Packet Data System, IEEE PIMRC, vol 2, 2001, pp.21–24, 2001 [9] ETSI, 5G Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz (3GPP TR 38.901 version 15.0.0 Release 15), ETSI TR 138 901 V15.0.0 (2018-07), 2018 [10] S Martiradonna, A Grassi, G Piro, and G Boggia, 5g-airsimulator: An open-source tool modeling the 5g air interface, Computer Networks, vol 173, p 107151, 2020, 2020  ... thuật tốn Lập lịch cơng cho việc truyền video mạng thông tin di động 5G siêu dày đặc, nơi mà trạm phát bố trí cách dày đặc người dùng giả thiết truyền video tốc độ cao Thuật tốn Lập lịch cơng đề... tin độ trễ gói tin cho thấy rằng, thuật tốn Lập lịch cơng đề xuất báo giúp nâng cao hiệu truyền video mạng 5G siêu dày đặc trường hợp số lượng người dùng đủ lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jiteng Ma,... cell thực việc truyền Video với độ phân giải 480p Theo 3GPP, mơ hình truyền sóng môi trường Open Indoor Office xác định thông qua mơ hình Dual Slope: LOS NLOS Trong đó, xác suất đường truyền người