Đang tải... (xem toàn văn)
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số 5 (06/2022), 526 539 526 Transport and Communications Science Journal IMPROVING THE OPERATION OF RELAY STATIONS TO MAINTAIN THE CONNECTIONS FOR HANDOVER[.]
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 ... 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,