KIẾN TRÚC CHƢƠNG TRÌNH ĐẢM BẢO YÊU CẦU CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG WIMA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết riêng tôi, hướng dẫn TS Trịnh Anh Vũ, không chép Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu thông tin đăng tải tác phẩm, tạp chí trang Web theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH Tác giả luận văn KIẾN TRÚC CHƢƠNG TRÌNH ĐẢM BẢO YÊU CẦU CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG WIMAX Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRỊNH ANH VŨ Hà Nội, 2011 Nguyễn Thị Tuyết Trinh LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC Tôi hoàn thành luận văn khích lệ giúp đỡ từ thầy cô giáo, gia đình bạn bè MỞ ĐẦU Đầu tiên, muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy hướng dẫn tôi, Tiến sỹ Trịnh Anh Vũ – Bộ môn Thông Tin Vô Tuyến – Khoa Công Nghệ - Trường đại học Công Nghệ, người tận tình hướng dẫn suốt trình thực luân văn 1.1 Cấu trúc lớp vật lý hệ thống WiMAX Tôi muốn đặc biệt gửi lời cảm ơn tới giáo viên Trường đại học Công Nghệ dạy để đạt kết ngày hôm Tôi cảm ơn bạn bè mình, người luôn sẵn sàng hỗ trợ Và cuối cùng, từ đáy lòng mình, cảm ơn gia đình tôi, chồng luôn động viên, hỗ trợ hoàn thành việc học Họ nguồn động viên vô tận đời Chƣơng – Giới thiệu chung mô hình WiMAX chiến lƣợc phân bổ tài nguyên2 1.1.1 Đặc điểm 1.1.2 IFFT 1.1.3 Cấu trúc symbol OFDM 1.2 Lớp MAC WiMAX 1.2.1 Cấu trúc slot khung 1.2.2 Lập lịch lớp MAC Chƣơng – Kỹ thuật đa truy cập 12 2.1 Phân loại giao thức đa truy cập 12 2.1.1 Giao thức đa truy cập không tranh chấp (lập lịch) 13 2.1.2 Giao thức đa truy cập tranh chấp (ngẫu nhiên) 14 2.2 Giao thức ALOHA 14 2.2.1 ALOHA nguyên thủy (Pure ALOHA hay p-ALOHA) 14 2.2.2 ALOHA phân khe (Slotted ALOHA hay s-ALOHA) 16 2.3 Mô máy tính 18 2.3.1 Mô hình hóa hệ thống thông tin gói 18 2.3.2 Cấu hình mô 20 2.4 Mô thuật toán ALOHA 21 2.4.1 Chương trình kết mô thuật toán p-ALOHA 21 2.4.2 Chương trình kết mô thuật toán s-ALOAH 23 Chƣơng – Lôgic mờ điều khiển tiếp nhận WiMAX 26 3.1 Lôgic mờ 26 3.1.1 Giới thiệu 26 3.1.2 Phép toán tập mờ 27 3.1.3 Quy tắc mờ 27 3.1.4 Điều khiển lôgic mờ 28 3.2 Mô hình hệ thống WiMAX 29 3.3 Cấp phát tài nguyên WiMAX điều khiển quản lý 31 3.3.1 Nguồn lưu lượng ma trận xác suất đến 31 3.3.2 Sự truyền kênh 32 3.3.3 Không gian trạng thái Ma trận chuyển tiếp 33 3.3.4 Phép đo QoS 35 3.3.5 Áp dụng điều khiển lôgic mờ cho điều khiển tiếp nhận 36 Chƣơng - Mô hình hệ thống OFDM vấn đề lập lịch WiMAX 39 4.1 Mô hình hệ thống OFDM 40 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Cấu trúc symbol miền tần số Hình Cấu trúc symbol miền thời gian Hình Biểu diễn nguồn thời gian nguồn tần số Hình Cấu trúc khung TDD Hình Cấu trúc khung ví dụ hệ thống R-MAC Hình Mô hình hàng đợi điều khiển logic mờ 10 4.1.1 Lập lịch lựa chọn tần số phân tập tần số 40 Hình 2.1 (a) TDMA (b) FDMA 13 4.1.2 Khái niệm khe lớp vật lý 40 Hình 2.2 ALOHA nguyên thủy (p-ALOHA) 15 4.1.3 Chỉ thị chất lượng kênh truyền 40 Hình 2.3 Sự xung đột gói tin hệ thống p-ALOHA 15 4.1.4 Lớp dịch vụ UGS rtPS 41 Hình 2.4 s-ALOHA 16 4.2 Cấp phát tần số thời gian theo yêu cầu QoS 41 Hình 2.5 Tranh chấp gói hệ thống s-ALOHA 17 4.2.1 Điều kiện kênh truyền đồng 43 Hình 2.6 Xung đột gói tin truyền 18 4.2.2 Lựa chọn T 43 Hình 2.7 Cấu hình mô máy tính có 20 4.2.3 Kết cứng 44 Hình 2.8 Lưu lượng yêu cầu thông lượng p-ALOHA 22 4.2.4 Thuật toán xấp xỉ đầu vào phụ thuộc cho LP(1) 45 4.2.5 Phương pháp thực nghiệm dựa luồng tương tranh cực đại 46 4.3 Cấp phát kênh phối hợp với công suất 48 4.3.1 Phân tích thông lượng trạng thái SINR cao 51 4.3.2 Phân tích thông lượng trạng thái SINR thấp 54 4.4 Mô thuật toán Heuristic cho cấp phát tài nguyên WiMAX 55 Hình 2.9 Lưu lượng yêu cầu thời gian trễ trung bình p-ALOHA 23 Hình 2.10 Lưu lượng yêu cầu thông lượng s-ALOHA 24 Hình 2.11: Lưu lượng yêu cầu trễ trung bình s-ALOHA 24 Hình Phép toán tập mờ 27 Hình Quá trình mờ, cấu suy luận giải mờ 28 4.4.1 Thuật toán Heuristic 55 Hình 3 Cấu trúc khung IEEE 802.16 với chế độ TDD-OFDMA 30 4.4.2 Một số toán thường gặp 55 Hình Sơ đồ khối kiểm soát nhận lôgic mờ 37 4.4.3 Mô cho toán lập lịch dùng thuật toán Heuristic 57 Hình Cấu trúc khung hệ thống vô tuyến 39 4.4.4 Kịch kết mô 59 Hình Lập công thức luồng tương tranh 48 KẾT LUẬN 63 Hình Một polymatching: Hình vẽ polymatching giá trị cho bốn người dùng TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 sáu kênh truyền (Chú ý rằng: Polymatching biểu diễn đường in đậm) PHỤ LỤC 65 50 Hình 4 Biểu đồ cấu trúc G BẢNG CHỮ VIẾT TẮT 53 Ký hiệu Từ viết tắt Nghĩa 3G Third Generation Thế hệ thứ ba AMC Adaptive Modulation and Coding Mã hóa điều chế thích nghi Hình Thông lượng hệ thống với yêu cầu QoS 10 60 61 BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân Hình Thông lượng hệ thống với yêu cầu QoS 5, 10, 40 60 62 BS Base Station Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DL Downlink Đường xuống FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FUSC Fully Used Subchannelization Phân kênh sử dụng toàn phần IEEE Institute of Electrical and Electronics Viện kỹ thuật điện điện tử Engineers IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược MAC Media Access Control Điều khiển truy cập môi trường MMPP Markov Modulated Poisson Process Quá trình Poisson điều chế Markov MS Mobile Station Trạm di động OFDM Orthogonal Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số Access trực giao PDU Packet Data Unit Đơn vị liệu gói PUSC Partially Used Subchannelization Phân kênh sử dụng phần QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương Hình 5: Lưu đồ mô thuật toán Heuristic cho cấp phát tài nguyên mạng 58 Hình Thông lượng hệ thống với yêu cầu QoS 20 60 Hình Thông lượng hệ thống với yêu cầu QoS 40 61 Frequency Division Đa phân chia theo tần số trực giao Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu nhiễu tạp âm SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu tạp âm TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian UL Uplink Đường lên WAN Wide Area Network Mạng khu vực rộng Wi-Fi Wireless Fidelity Worldwide Interoperability WiMAX Microwave Access Mạng không dây Wifi for Khả tương tác toàn cầu với truy nhập viba MỞ ĐẦU Công nghệ WiMAX giải pháp tương thích tổng hợp cung cấp đa dịch vụ lúc cho nhiều người dùng khoảng cách xa đồng thời cho phép nhà khai thác dịch vụ hội tụ kỹ thuật mạng IP Do công nghệ 3G phát triển với tốc độ liệu không ngừng tăng việc nghiên cứu WiMAX có tính thời sự, đích nhắm cho phát triển công nghệ hệ sau (Long Term Evolution - LTE) đặc biệt giải pháp kinh tế triển khai internet cho vùng xa, địa hình khó khăn số người dùng không đủ nhiều để đầu tư triển khai mạng cáp quang cho mạng đường trục 3G WiMAX với hỗ trợ đảm bảo QoS hoàn toàn đáp ứng dịch vụ chất lượng gồm có Internet tốc độ cao, thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến với ứng dụng cộng thêm cho doanh nghiệp hội nghị video giám sát video, mạng riêng ảo bảo mật (yêu cầu an ninh cao) Thách thức mạng truy cập không dây băng thông rộng BWA (Broadband Wireless Access) điều phối để cung cấp hỗ trợ chất lượng dịch vụ đồng thời cho nhiều dịch vụ với đặc trưng khác với đòi hỏi QoS khác Những người dùng truy cập ngẫu nhiên vào mạng với yêu cầu dịch vụ khác mong muốn đáp ứng, nhà cung cấp muốn làm hài lòng khác hàng muốn đạt doanh thu cao qua cực đại thông lượng mạng Vì toán kiến trúc chƣơng trình hay lập lịch cho ngƣời dùng với yêu cầu QoS khác toán quan trọng, với mục tiêu đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS cho người dùng đồng thời mang lại hiệu kinh tế cho nhà khai thác mạng Luận văn tập trung tìm hiểu cách thức, thuật toán để giải toán lập lịch nêu mà chuẩn IEEE.802.16 có phần để ngỏ cho nhà phát triển dịch vụ lựa chọn Lập lịch thể qua ba giai đoạn: giải xung đột nhiều người dùng truy cập mạng (kỹ thuật đa truy cập), định chấp nhận gọi người dùng hay không nhận yêu cầu gọi từ người dùng (điều khiển tiếp nhận), cấp phát tài nguyên cho người dùng chấp nhận gọi (cấp phát tài nguyên) Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Chƣơng – Giới thiệu chung mô hình WiMAX chiến lƣợc phân bổ tài nguyên Bảng 1.1 : Các thông số phép biến đổi FFT (PUSC DL) 1.1 Cấu trúc lớp vật lý hệ thống WiMAX 1.1.1 Đặc điểm Lớp vật lý (PHY) Wimax dựa tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 IEEE 802.16e-2005 thiết kế với nhiều ảnh hưởng từ Wi-Fi, đặc biệt chuẩn IEEE 802.11a Mặc dù nhiều khía cạnh hai công nghệ khác nhau, khác mang tính kế thừa mục đích ứng dụng chúng, vài cấu trúc chúng giống Giống Wi-Fi, Wimax dựa nguyên lý đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDM), có công nghệ điều chế/truy nhập phù hợp cho điều kiện tầm nhìn không thẳng (none line of sight) với tốc độ liệu cao Tuy nhiên, Wimax có thông số khác liên quan đến lớp vật lý, số sóng mang con, dẫn đường, băng bảo vệ, khác so với Wi-Fi, từ hai công nghệ kỳ vọng để thực môi trường khác  WirelessMAN OFDM, lớp vật lý dựa FFT với 256 điểm cho hoạt động điểm đa điểm hoạt động không theo tầm nhìn thẳng (NLOS) tần số 2GHz 11GHZ Lớp vật lý thông qua chuẩn IEEE 802.16-2004, chấp thuận Wimax cho hoạt động cố định thường gọi tắt Wimax cố định  WirelessMAN OFDMA, lớp vật lý OFDMA dựa FFT với 2,048 điểm cho hoạt động điều kiện NLOS tần số 2GHz 11GHz Trong chuẩn IEEE 802.16e-2005, lớp vật lý sửa đổi thành SOFDMA (scalable OFDMA), kích cỡ FFT biến đổi lấy giá trị sau: 128, 512,1024 2048 Kích cỡ FFT biến đổi cho phép triển khai hoạt động tối thiểu hệ thống khoảng băng thông rộng điều kiện vô tuyến khác Lớp vật lý chấp thuận Wimax cho hoạt động di động thường gọi tắt Wimax di động 1.1.2 IFFT Quá trình điều chế đa sóng mang trực giao cách biến đổi Fourier nhanh ngược Các symbol điều chế vào sóng mang khác WMAN-OFDM định nghĩa kích thước FFT 256 với 192 sóng mang liệu, sóng mang dẫn đường 55 sóng mang bảo vệ (sóng mang trung tâm không dùng) Còn WMAN-OFDMA kích cỡ FFT biến đổi lấy giá trị sau: 128, 512,1024 2048 256 128 512 1024 2048 Số kênh N/A 15 30 60 Số sóng mang liệu sử dụng 192 72 360 720 1440 Số sóng mang dẫn đường 12 60 120 240 Số sóng mang bảo vệ bên trái 28 22 46 92 184 Số sóng mang bảo vệ bên phải 27 21 45 91 183 Các tín hiệu sau điều chế OFDM tạo thành symbol OFDM Chúng biết đổi số/tương tự qua điều chế cao tần để đưa ăng ten 1.1.3 Cấu trúc symbol OFDM Trong hệ thống OFDM, chuỗi symbol với tốc độ liệu cao tách thành nhiều chuỗi song song với tốc độ liệu thấp hơn, chuỗi sử dụng để điều chế tín hiệu số trực giao hay sóng mang Băng thông tín hiệu truyền dẫn toàn băng thông tín hiệu tất sóng mang Điều chế ghép kênh tần số trực giao độc lập với lớp symbol dải tần hẹp để cấu trúc toàn tín hiệu OFDM miền tần số sau sử dụng biến đổi Fourier ngược để biến đổi tín hiệu miền thời gian Phương pháp IFFT dễ dàng triển khai hơn, không yêu cầu nhiều hiển thị để truyền nhận tín hiệu OFDM Trong miền tần số, symbol OFDM tạo việc ánh xạ chuỗi symbol sóng mang Wimax có lớp sóng mang [5]  Sóng mang liệu: sử dụng cho việc mang symbol liệu  Sóng mang dẫn đường: sử dụng cho việc mang symbol dẫn đường (pilot) Các symbol dẫn đường biết đến ưu tiên sử dụng cho đánh giá kênh dò kênh  Sóng mang rỗng: công suất cấp đến chúng, bao gồm sóng mang chiều DC sóng mang bảo vệ (guard) Các sóng mang DC không điều chế, để đề phòng tác động dồn dập hay công suất vượt giới hạn khuyếch đại Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Hình 1.1 miêu tả cấu trúc symbol OFDM miền tần số chuẩn IEEE 802.16e-2005, bao gồm sóng mang liệu, sóng mang dẫn đường sóng mang rỗng Công suất sóng mang dẫn đường tăng lên 2.5dB, cho phép dò kênh tin cậy chí điều kiện SNR thấp Tình trạng kênh truyền cảm nhận trạm “lưu giữ” ma trận điều kiện kênh truyền kích thước n x m (m sóng mang n người dùng) Phần tử ij ma trận số đo tốc độ người dùng i sóng mang j có đơn vị bits/ giây Biểu diễn hữu ích mặt trực giác cấp phát kênh truyền cho người sử dụng cấp phát khoảng thời gian kênh Hình Biểu diễn nguồn thời gian nguồn tần số Hình 1 Cấu trúc symbol miền tần số Cấu trúc theo miền thời gian symbol có dạng sau: 1.2 Lớp MAC WiMAX 1.2.1 Cấu trúc slot khung Slot (khe) đơn vị nhỏ tài nguyên lớp PHY, cấp phát cho người sử dụng miền thời gian/tần số Ở miền thời gian/tần số, tập hợp slot liền cấp phát cho thuê bao từ vùng liệu thuê bao Kích cỡ slot tuỳ thuộc vào kiểu xếp sóng mang  FUSC: Mỗi slot = 48 sóng mang * OFDM symbol  Downlink PUSC: Mỗi slot = 24 sóng mang * OFDM symbol Hình Cấu trúc symbol miền thời gian Symbol có độ dài Ts, Tb khoảng thời gian thực symbol, Tg = Ts – Tb giá trị thêm vào để chống tượng đa đường Phần gọi tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix), có giá trị khác tuỳ vào hệ thống Hệ thống OFDMA cung cấp them mềm dẻo việc cấp phát tập hợp sóng mang có sẵn cho người sử dụng khoảng thời gian xác định Trong hình 1.3, trục thời gian (trục hoành) rời rạc thành khe có độ dài Δ, trục tung biểu thị kênh truyền khác sử dụng hệ thống Lưu ý kênh truyền thực thể lôgic, bao gồm nhóm sóng mang  Uplink PUSC TUSC: Mỗi slot = 16 sóng mang * OFDM symbol  Band AMC: Mỗi slot = 8, 16 24 sóng mang * 6, OFDM symbol Trong chuẩn IEEE 802.16e-2005, hai chế ghép kênh phân chia theo tần số (FDD) ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD) cho phép Trong trường hợp FDD, khung đường lên đường xuống truyền đồng thời tần số sóng mang khác nhau; trường hợp TDD, khung đường lên đường xuống truyền tần số sóng mang giống thời gian khác Hình 1.4 cấu trúc khung cho TDD Cấu trúc khung cho FDD giống hệt cho TDD ngoại trừ khung UL DL ghép tần số sóng mang khác Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX DL UL cho sử dụng Theo định kỳ, BS truyền tập miêu tả kênh đường xuống (DCD) tập miêu tả kênh đường lên (UCD) sau tin UL-MAP, chúng bao gồm thông tin điều khiển thêm vào để trì việc miêu tả cấu trúc kênh bust profile cho phép khác bên BS ấn định 1.2.2 Lập lịch lớp MAC Trong mạng, chức lớp PHY truyền thông tin dạng bit cách tin cậy từ bên gửi đến bên nhận, sử dụng môi trường truyền dẫn vật lý sóng vô tuyến, sóng ánh sáng hay cáp đồng Thông thường, lớp PHY không đề cập đến yêu cầu Chất lượng dịch vụ (QoS) không nhận biết ứng dụng VoIP, HTTP hay FTP Lớp PHY thấy đường dẫn chịu trách nhiệm trao đổi thông tin liên kết đơn thiết lập bên gửi bên nhận Lớp Điều khiển truy cập môi trường (Media Access Control - MAC), nằm bên lớp PHY, chịu trách nhiệm điều khiển ghép/ trộn nhiều kênh đơn đường truyền vật lý Hình Cấu trúc khung TDD [5] Mỗi khung DL UL IEEE 802.16e-2005 phân thành vùng khác nhau, sử dụng chế hoán đổi sóng mang khác Những thông tin liên quan vị trí bắt đầu khoảng cách vùng khác sử dụng khung DL UL phân chia thông điệp điều khiển phần mào đầu khung DL Symbol OFDM khung đường xuống sử dụng cho truyền dẫn phần mào đầu DL Phần mào đầu sử dụng cho thủ tục khác lớp vật lý đồng thời gian tần số, đánh giá kênh ban đầu, đánh giá tạp âm nhiễu Trong symbol OFDM sau phần mào đầu khung DL, kênh cấp cho tiêu đề điều khiển khung FCH Trường FCH sử dụng cho việc mang thông tin điều khiển hệ thống, sóng mang sử dụng (trong trường hợp phân đoạn), kênh ranging, chiều dài tin DL-MAP Thông tin mang tin DL_Frame_Prefix nằm bên FCH FCH luôn mã hóa với phương thức mã hóa BPSK 1/2 để đảm bảo cường độ tín hiệu tối đa thực thi tin cậy, chí biên tế bào Sau FCH tin DL-MAP UL-MAP, mà phân vùng liệu người sử dụng khác khung DL UL khung Bằng cách lắng nghe thông điệp này, MS nhận diện kênh symbol cấp Downlink: Đường xuống từ trạm sở đến thuê bao SSs kết nối điểm – đa điểm Một trạm sở trung tâm, trang bị ăng ten phân vùng, phát quảng bá TDM đến kênh hướng ăng ten Trạm gốc trạm phát vận hành hướng thời gian khung phụ đường xuống, truyền mà điều phối với trạm khác Những trạm nhận kiểm tra địa DL-MAP tin DL-MAP giữ lại tin liệu địa cho chúng Đa truy cập đƣờng lên: Không giống đường xuống, đường lên liên kết giao tiếp từ đa điểm đến điểm Những trạm thuê bao chia sẻ môi trường truyền thông đường lên để truyền liệu chúng đến trạm gốc Do đó, lập lịch cho đường lên UL cần thiết cho việc sử dụng hiệu nguồn tài nguyên đường lên thỏa mãn yêu cầu chất lượng dịch vụ người dùng Bài toán lập chƣơng trình hay lập lịch tập trung vào ba vấn đề chính: Sự tranh chấp nhiều trạm cuối truy cập để truyền gói tin chung Điều đưa đến kỹ thuật đa truy cập Điều khiển tiếp nhận: xem xét tiếp nhận dựa yêu cầu người dùng tài nguyên lại có khả thỏa mãn yêu cầu hay không Phân bổ tài nguyên nhằm thỏa mãn QoS đạt cực đại thông lượng hệ thống Tiêu chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa đặc trưng lớp vật lý (PHY) lớp điều khiển đa truy cập (MAC) cho mạng vô tuyến khu vực đông dân cư Chuẩn IEEE 802.16 lên tảng cho chất lượng dịch vụ phong phú Những phương thức Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX truy cập khác hỗ trợ lớp khác lưu lượng Lưu lượng BE lớp quan trọng lớp đại diện cho phần lớn lưu lượng liệu Tiêu chuẩn rõ giao thức MAC nên sử dụng phương thức truy cập sở đặt trước cho lưu lượng BE Tuy nhiên không đề xuất giao thức đa truy cập sở đặt trước R-MAC xác định mà để ngỏ cho sản phẩm riêng biệt phiên phát triển (802.16a, 802.16-2004, 802.16e, 802.16g), vấn đề cấp phát tài nguyên điều khiển tiếp nhận (admission control) để ngỏ với mục đích thúc đẩy cải tiến nhà cung cấp thiết bị riêng lẻ Trong phần luận văn sâu tìm hiểu đề xuất giải vấn đề cấp phát tài nguyên điều khiển tiếp nhận Chất lượng dịch vụ (QoS) định nghĩa chuẩn IEEE 802.16 cho bốn loại dịch vụ: dịch vụ cấp phát tự động UGS (unsolicited grant service), dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS), dịch vụ thăm dò không theo thời gian thực (nrtPS) dịch vụ hỗ trợ tối đa (Best Effort – BE) Trong đó: Hình Cấu trúc khung ví dụ hệ thống R-MAC Trong giao thức R-MAC, thời gian chia thành khung khe vật lý khung sử dụng để đặt chỗ trước sở tranh chấp truyền liệu hình 1.5 Trong hầu hết phiên thương mại R-MAC, khoảng phục vụ (service period) quản lý sử dụng truy cập phân thời gian (TDMA) tính đơn giản Kỹ thuật đặt chỗ giữ chỗ hữu ích việc cải thiện tận dụng tài nguyền toàn hệ thống p-ALOHA Trong hệ thống R-MAC, trạm thuê bao SSs mong muốn truyền liệu qua môi trường truyền thông chung phải đặt chỗ khoảng thời gian đặt chỗ khung Bởi yêu cầu đặt chỗ có kích thước nhỏ kích thước gói, việc sử dụng tài nguyên khung tốt đạt Một khía cạnh thích hợp khác R-MAC cho hệ thống băng rộng hỗ trợ cho thông tin nhạy cảm với trễ (như tiếng nói) thông tin không nhạy cảm trễ (dữ liệu) Rất nhiều giao thức đa truy cập đặt chỗ trước đề xuất, phổ biến giao thức đa truy cập đặt chỗ dựa sở Aloha phân khe Một giao thức đa truy cập có họ gần với R-MAC đa truy cập đặt chỗ gói (PRMA) cho thông tin vô tuyến nội vùng Trong giao thức này, SS với phiên truyền liệu theo kỹ thuật cạnh tranh Aloha phân khe để truy cập môi trường truyền thông Một thuê bao truyền gói phiên truyền liệu cách tranh chấp để truy cập môi trường truyền thông Khi truy cập khe thành công, giữ chỗ khe khung kết thúc phiên truyền liệu, vị trí khe giải thoát.[1]  UGS BE dịch vụ cho lưu lượng với tốc độ bit không đổi Dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS) hỗ trợ với lưu lượng tốc độ bit thay đổi Trong nrtPS yêu cầu mức định thông lượng rtPS lại đòi hỏi trễ nghiêm ngặt Do việc phân tài nguyên hiệu cho yêu cầu dịch vụ khác đặc biệt đảm bảo cho rtPS vấn đề then chốt Wimax  Yêu cầu quản lý tài nguyên lập lịch lưu lượng điều khiển tiếp nhận cần thiết kế vừa để đảm bảo QoS cho khách hàng vừa phải cực đại việc sử dụng tài nguyên để đảm bảo lợi ích nhà cung cấp Kỹ thuật tính toán mềm (lozic mờ, thuật toán di truyền) phương pháp tiếp cận hiệu cho mục đích  Động lực dùng lôgic mờ nhiều tham số hệ thống (như chất lượng kênh, chuyển động, lưu lượng nguồn) ước lượng thật xác Do áp dụng phương pháp truyền thống để điều khiển tối ưu không cho hiệu đảm bảo đáp ứng thời gian thực đồng thời cho loại hình dịch vụ khác Dùng phương pháp lôgic mờ có độ phức tạp tính toán thấp lựa chọn thích hợp Do đơn giản mô hình khả xác định đầu từ đầu vào không thật rõ ràng, lôgic mờ kỹ thuật đầy triển vọng cho vấn đề cấp phát tài nguyên kiểm soát tiếp nhận cho chuẩn IEEE 802.16 – truy cập vô tuyến sở băng rộng Trong luận văn ta vào tìm hiểu cách thiết lập mô hình điều khiển tiếp nhận sử dụng lôgic mờ hình 1.6 Tuy nhiên bên cạnh lớp vật lý giao thức điều khiển truy cập môi trường (MAC – Medium Access Control) định nghĩa đầy đủ tiêu chuẩn IEEE 802.16 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX điều thực tế chấp nhận Nguyên tắc lập lịch đạt mục tiêu tìm hiểu luận văn Hình Mô hình hàng đợi điều khiển lôgic mờ Trước hết ta sử dụng mô hình hàng đợi Markov thời gian rời rạc (DTMC) để phân tích QoS gói (thí dụ trễ trung bình) dùng OFDMA kết hợp mã hóa điều chế thích nghi AMC Từ mô hình ảnh hưởng tham số nguồn (như tốc độ đến, tốc độ đỉnh, xác suất đạt tốc độ đỉnh ), tham số chất lượng kênh (tức tỉ lệ tín hiệu nhiễu SNR trung bình) hiệu truyền (tức chiều dài hàng đợi trung bình, xác suất “rơi” gói, thông lượng trễ ) khảo sát Tiếp đó, ta thiết lập tập quy tắc cho điều khiển mờ, dùng online để quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến điều khiển tiếp nhận Bởi định điều khiển nhận dựa sở lượng tài nguyên yêu cầu (để thỏa mãn QoS), tình trạng kết nối thực hiện, kết nối yêu cầu vào tài nguyên lại Kết nhận từ mô hình hàng đợi hữu ích cho việc thiết kế cấp phát tài nguyên hệ thống điều khiển logic mờ Một gọi sau tiếp nhận cấp phát tài nguyên băng tần IEEE 802.16 đưa số kỹ thuật cho phép người dùng yêu cầu tài nguyên băng tần đường lên phù hợp với QoS Đó yêu cầu mà người dùng cần chuyển lượng liệu định khoảng thời gian định Điều thực qua dịch vụ UGS (cấp phát tự nguyên) rtPS (cấp phát thời gian thực) Vấn đề lập lịch phân khe thời gian tập kênh có sẵn (tài nguyên tần số) có mục tiêu phải đồng thời thỏa mãn yêu cầu khách hàng cực đại thông lượng hệ thống Việc cấp phát không dựa theo bột phát thông tin mà dựa vào yêu cầu người dùng Khoảng thời gian T mà theo yêu cầu cần thỏa mãn độ dài khung hay số giá trị khác hiểu khoảng thời gian trục hoành mà QoS yêu cầu Nếu kênh thay đổi nhanh, T giả thiết nhỏ Tuy nhiên kênh thay đổi chậm, T lớn, 10 Chuẩn IEEE 802.16 cho phép lập ánh xạ khác sóng mang kênh Một ví dụ ánh xạ lựa chọn tần số sóng mang sử dụng phần (partically utilized subcarrier PUSC), số sóng mang có sẵn, thiết lập nên kênh truyền lựa chọn ngẫu nhiên toàn băng thông khả dụng Đây kiểu phân tập kênh truyền điều kiện kênh truyền nhận người dùng đại thể giống Trong trường hợp AMC là: sóng mang tạo nên kênh truyền nằm liền kề nhau, điều kiện kênh truyền thấy người dùng biến đổi qua kênh truyền tức biến đổi qua người dùng Lưu ý rằng, không sử dụng lược đồ cho mục đích tìm trung bình nhiễu mà tập trung vào lập lịch giải vấn đề phân chia nguồn tài nguyên ứng dụng vào hệ thống thông qua kiểu PUSC hay AMC – sở OFDMA cho tiêu chuẩn 802.16 Đầu tiên, tìm hiểu việc lập công thức LP cho vấn đề lập lịch (phân bổ nguồn tài nguyên) chưa xét đến vấn đề phân bổ công suất Mục tiêu việc lập công thức cực đại thông lượng tổng hệ thống nhu cầu người dùng thỏa mãn Động lực thúc đẩy cho việc thiết lập công thức đạt mục tiêu cân mặt trái ngược nhà khai thác mạng (thông lượng cực đại, thấy hàm số mục tiêu) người sử dụng (nhu cầu tỏa mãn) Tuy nhiên, nghiệm công thức cực đại thông lượng nói hoàn toàn không xem xét toán cấp phát công suất Nói chung, điều không tối ưu gắn kết với điều khiển công suất Trong phần luận văn này, tìm hiểu việc lập công thức cho toán điều khiển công suất tối ưu để cấp phát công suất cho người dùng cách tối ưu qua tất sóng mang con, cố gắng để thỏa mãn ràng buộc QoS 11 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX 4.1 Mô hình hệ thống OFDM Hệ thống OFDM hệ thống truyền dẫn đa sóng mang trực giao, hoạt động theo frame ký hiệu nối thời gian giới thiệu chương Trong phần tìm hiểu số khái niệm hệ thống 4.1.1 Lập lịch lựa chọn tần số phân tập tần số Chuẩn IEEE 802.16 cho phép lập ánh xạ khác sóng mang kênh Một ví dụ ánh xạ lựa chọn tần số sóng mang sử dụng phần (partically utilized subcarrier PUSC), số sóng mang có sẵn, thiết lập nên kênh truyền lựa chọn ngẫu nhiên toàn băng thông khả dụng Đây kiểu phân tập kênh truyền điều kiện kênh truyền nhận người dùng đại thể giống Trong trường hợp AMC là: sóng mang tạo nên kênh truyền nằm liền kề nhau, điều kiện kênh truyền thấy người dùng biến đổi qua kênh truyền tức biến đổi qua người dùng Lưu ý rằng, không sử dụng lược đồ cho mục đích tìm trung bình nhiễu mà tập trung vào lập lịch giải vấn đề phân chia nguồn tài nguyên ứng dụng vào hệ thống thông qua kiểu PUSC hay AMC – sở OFDMA cho tiêu chuẩn 802.16 4.1.2 Khái niệm khe lớp vật lý Khe vật lý PS đơn vị thời gian lớp vật lý Trong trường hợp OFDMA, tương ứng với thời gian ký hiệu Một số khe vật lý PSs hợp thành khe (slot) Vì phân chia nguồn tài nguyên toán lớp MAC, tập trung vào vấn đề phân chia khe kênh truyền Chúng ta ý kỹ thuật phát triển chương ứng dụng chí phép đo tiến hành mức sóng mang riêng biệt, thực tế không giống chi phí khác việc dùng thêm tiêu đề (overhead) 4.1.3 Chỉ thị chất lượng kênh truyền Một số kênh truyền đường lên chọn lựa để thông báo tình trạng kênh (CQICH) Người dùng đầu cuối cung cấp giá trị đo trung bình CINR (tỉ số sóng mang tổng nhiễu cộng ồn) kênh đường xuống phản hồi trở lại Với mục đích trạm sở định rõ phân bổ CQICH cụ thể cho khách hàng (trong cụm điều khiển khung), thị cho khách hàng cung cấp giá trị trung bình CINR dùng kênh phản hồi nhanh đến trạm sở Giá trị đo chất lượng kênh truyền đường xuống vấn đề đáng quan tâm số lượng người sử dụng lớn overhead trở thành yếu tố 40 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX quan trọng hiệu lập lịch Giả sử thông tin chất lượng kênh truyền thu nhận cho tất khách hàng thời điểm, khoảng thời gian không đổi, sử dụng kỹ thuật CIQCH hay kỹ thuật tương tự Còn tình trạng kênh truyền đường lên ước lượng trạm sở có liệu gửi từ khách hàng Trong trường hợp dùng kiểu AMC, giả sử thông tin phản hồi dạng véc tơ giá trị đo kênh truyền cho người dùng qua tất kênh truyền hệ thống 4.1.4 Lớp dịch vụ UGS rtPS Những thuật toán giới thiệu ứng dụng cho lớp dịch vụ UGS rtPS định nghĩa chuẩn phác thảo 802.16 Để thực thi lớp UGS: người dùng yêu cầu dung lượng truyền tối thiểu không đổi khoảng thời gian cho trước T Chúng ta giả thiết có đủ sở để tìm giá trị T để thỏa mãn nhu cầu người dùng định nghĩa thỏa thuận đảm bảo mức độ dịch vụ (service-level agreement SLA) cho người dùng Chúng ta sử dụng khái niệm cho dịch vụ rtPS với giả thiết bật chu kỳ lặp lại để đảm bảo tốc độ tối thiếu yêu cầu luồng đáp ứng thời gian thực rtPS 4.2 Cấp phát tần số thời gian theo yêu cầu QoS Ở nêu việc lập công thức LP cho vấn đề lập lịch (phân bổ nguồn tài nguyên) chưa xét đến vấn đề phân bổ công suất Mục tiêu việc lập công thức cực đại thông lượng tổng hệ thống nhu cầu người dùng thỏa mãn Động lực thúc đẩy cho việc thiết lập công thức đạt mục tiêu cân mặt trái ngược mạng (thông lượng cực đại, thấy hàm số mục tiêu) người sử dụng (nhu cầu tỏa mãn) Có hai phiên phân bổ nguồn tài nguyên, trục thời gian liên tục hai trục thời gian rời rạc hóa biểu diễn hình 1.3 Chúng ta thấy phiên rời rạc hóa toán NP-hard tổng quát thúc đẩy hướng nghiên cứu nới lỏng thời gian liên tục Trong nới lỏng tính liên tục, toán phân chia nguồn tài nguyên phân khúc thời gian cho người dùng qua sóng mang có sẵn để đồng thời thỏa mãn nhu cầu đạt thông lượng tối đa Phương trình 4.1 đến phương trình 4.4, diễn tả người dùng cảm nhận tình trạng kênh khác sóng mang giá trị lại khác qua người dùng Các khách hàng điều chỉnh cho phù hợp với sóng mang cách 41 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX đồng thời Tập hợp sóng mang phân cho người dùng tập tổng số lượng sóng mang khả dụng hệ thống Gọi  ij tốc độ đạt người dùng i kênh j với đơn vị bít/giây (4.5) Với ràng buộc: (4.6) Giả sử  ij hàm số đơn giản véc tơ CNR phản hồi lại trạm sở (4.7) người dùng Ta lưu ý điều đặt hạn chế lên công suất phân người dùng kênh truyền Để lập công thức để giải vấn đề này, giả sử người dùng chia lưu lượng theo phương pháp tĩnh (ví dụ nhau) qua sóng mang phân cho (4.8) Với ràng buộc: số lượng khe phân cho trạm i kênh truyền j Giả sử chiều dài chia cách xác thời gian T khung truyền (đường lên (4.2) đường xuống) (như phương trình 4.2) (4.4) Ở x ij biểu diễn khoảng thời gian phân bổ cho trạm i kênh truyền j để truyền liệu Vị trí xác khoảng thời gian liệu thông tin đến tới người dùng trạm sở tin điều khiển - phát quảng bá tới tất người dùng điểm bắt đầu khung Đây sơ đồ ánh xạ đường xuống đường lên Hàm mục tiêu tìm kiếm cực đại lượng liệu toàn hệ thống truyền Khi ràng buộc nhu cầu, vấn đề giải cách đơn giản Tuy nhiên ràng buộc định rõ tổng thời gian phân bổ qua tất trạm kênh truyền vượt khoảng thời gian T Ràng buộc thứ hai yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS định rõ tổng liệu truyền trạm i thời gian T phải nhu cầu bít trường hợp lưu lượng đường lên Trong trường hợp lưu lượng đường xuống, ràng buộc lượng liệu tối thiểu phải nhận trạm i Chú ý suốt khoảng thời gian, T đường thời gian nằm ngang bảo đảm QoS phải cung cấp Chú ý tình có giả thiết riêng điều kiện kênh truyền không biến đổi đáng kể qua khoảng cập nhật, cập nhật điều kiện kênh truyền gửi từ khách hàng đến trạm sở trường hợp lưu lượng đường xuống Trong trường hợp lưu lượng đường lên, điều kiện kênh truyền đường lên đo phác trạm sở sau T giây LP(1) nới lỏng việc lập chương trình số nguyên biểu diễn 42 Ở đó, (4.1) (4.3) [1]: (4.9) 4.2.1 Điều kiện kênh truyền đồng Đầu tiên xét trường hợp đơn giản tất người dùng cảm nhận kênh truyền giống phiên rời rạc toán phân bổ nguồn tài nguyên tài nguyên cần phân cho người dùng thỏa mãn yêu cầu thông lượng hệ thống đạt cực đại Một thuật toán đơn giản sử dụng để đạt mục tiêu Yếu tố đơn giản hoá tất người dùng cảm nhận kênh truyền giống Do việc phân bổ khe slot kênh truyền không phụ thuộc vào kênh truyền cho người dùng Nhờ phân chia cách đơn giản khe thời điểm theo kiểu vòng Robin người dùng mà nhu cầu thoả mãn Chú ý nhu cầu tất người dùng thoả mãn, thuật toán kết thúc với vài khe slot không phân cho người dùng Những khe phân bổ cách tuỳ ý Dễ dàng thấy trường hợp nhu cầu trạm thoả mãn tất cả, thuật toán quay trở lại thuật toán phân bổ ưu tiên cực đại - cực tiểu Điều áp dụng cho trường hợp kịch PUSC/FUSC, với điều kiện kênh truyền tương đối đồng cho người sử dụng kênh truyền cấp Tuy nhiên, ý sóng mang băng thông không bảo đảm để kênh truyền giống giả sử Đó câu hỏi để mở nghiên cứu hiệu thực tế 4.2.2 Lựa chọn T Như đề cập trước đây, T đường nằm ngang thời gian “đường” đảm bảo QoS phải cung cấp Cho đến đây, biểu thức yêu cầu người dùng cho phép truyền lượng bít khoảng thời gian T Đây ví dụ 43 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX ràng buộc tốc độ truyền phải thỏa mãn cho người dùng Ví dụ, người dùng ánh xạ với băng thông bảo đảm QoS mức MAC, sử dụng để cung cấp dịch vụ T1 tới nhà hay công ty thương mại nhỏ Thông thường, giả sử T thời gian vài khung truyền Tương tự vậy, toán tối ưu khác công thức hóa để cực tiểu thời gian tổng cộng nằm ngang nhu cầu người dùng thỏa mãn Công thức sau [1]: cho thấy phiên đơn giản toán lập lịch rời rạc NP đầy đủ Vì vậy, nói toán lập lịch rời rạc tổng quát miêu tả trước (cho cực đại thông lượng) toán NP-hard (4.10) Ràng buộc bởi: (4.11) (4.12) (4.13) Chú ý dạng chương trình truyến tính cho phép lời giải sử dụng kỹ thuật miêu tả phần sau chương 4.2.3 Kết cứng Trong phần này, ta chứng minh phiên rời rạc ràng buộc nhu cầu toán NP-hard Việc chứng minh rút việc cực đại phần ràng buộc (MAXIMUM CONSTRAINED PARTITION), biết toán NP-đầy đủ Xét tập hữu hạn A kích thước s(a)  Z  cho phần tử a  A Một nghiệm chia phần trường hợp phần A, tức tập A’ bao hàm A, cho: (4.14) (Phiên tối ưu toán tìm kiếm cực đại số phần tử từ S phía phần tử cho trước a ) Bây ta xem xét phiên toán lập lịch rời rạc Có m sóng mang, sóng mang có khe thời gian liên kết với Chỉ có hai khách hàng, hai khách hàng thấy xác điều kiện kênh truyền giống tập hợp kênh truyền cấp (giả sử điều kiện kênh truyền nhận thức hai khách hàng biểu diễn số nguyên) Do đó, có tập A bao gồm m phần tử, phần tử có giá trị đó, i = 1, … , m Mỗi người dùng có nhu cầu Vì phần tử tập hợp phân cho khách hàng nhiều hơn, nên thấy giải toán giải toán “Chia phần” (PARTITION) Điều 44 4.2.4 Thuật toán xấp xỉ đầu vào phụ thuộc cho LP(1) Trong phần này, giới thiệu thuật toán xấp xỉ đầu vào phụ thuộc cho LP từ phương trình 4.1 đến 4.4 dựa kết xấp xỉ bao hàm chung đóng gói tuyến tính Trong [13], tác giả mô tả thuật toán hiệu để giải toán có tính khả thi cách xấp xỉ Nói cách xác định, thuật toán đưa lời giải thoả mãn tất ràng buộc thừa số miền thời gian , M số lượng ràng buộc p số cực đại ràng buộc biến xuất Chúng ta sử dụng thuật toán mềm dẻo hiệu chương trình (thủ tục) để tính toán nghiệm tối ưu cách sử dụng cách tìm kiếm phân đôi miền nghiệm tối ưu Giả sử biết tốc độ liệu cực đại đạt tất kênh truyền hệ thống (ký hiệu W), tính toán xấp xỉ nghiệm tối thời gian , k độ phức tạp thời gian cho gọi đơn cho chương trình xấp xỉ mềm dẻo Trong trường hợp LP(1), ý (tương ứng cung cấp, yêu cầu ràng buộc không âm), p có giá trị nhiều cho bước lặp cho trước Điều coi ràng buộc yêu cầu khác hàng cho chứa đựng biến cố cho Tương tự vậy, ràng buộc cung cấp kênh truyền j chứa đựng biến cố Khi thực thi tìm kiếm phân đôi, hai ràng buộc thêm vào dải cho hàm mục tiêu, ràng buộc chứa biến cố biến (biến cố thứ năm ràng buộc không âm) Trong thực tế, số lượng sóng mang trực giao (hoặc sóng mang hệ thống OFDMA) cho hệ thống biết không đổi, n tăng lên lớn hơn, độ phức tạp xem xét tương đối gần Chú ý rằng, giới hạn thông lượng hệ thống cải thiện theo cách sau đây: Nếu sóng mang đánh số từ 1, … , m, ký hiệu trạm với tốc độ liệu tốt sóng mang i Gọi tốc độ cực đại có 45 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX thể đạt qua tất người dùng sóng mang i Do đó, thời gian chạy thuật toán cải thiện đến 4.2.5 Với ràng buộc: (4.21) (4.22) Phương pháp thực nghiệm dựa luồng tương tranh cực đại Trong phần này, trình bày phương pháp thực nghiệm cho LP từ phương trình 4.1 đến 4.4, chúng hiểu luồng tương tranh cực đại Ưu điểm phương pháp độ phức tạp thời gian không phục thuộc vào tốc độ liệu cực đại đạt kênh truyền cho trước Một cách lập công thức toán phân bổ nguồn tài nguyên nới lỏng (Phương trình 4.1 đến 4.4) cực đại nhân tử chung thoả mãn nhu cầu tất người dùng, là, giá trị thoả mãn cho tất i Tuy nhiên, toán luồng tương tranh truyền thống Có vài nhân tử liên đới với vài biến công thức Điều coi toán luồng suy rộng (tổng quát hoá) Những kỹ thuật hiệu để xấp xỉ luồng tương tranh suy rộng biểu diễn [4] Công thức đường toán luồng tương tranh suy rộng là: (4.15) Với ràng buộc: (4.16) (4.17) (4.18) (4.19) Cho trước đường s-t (nguồn – đích) P  e1 , es , , er , p(e q )   r i q  (ei ) Đây số luồng gửi vào arc e q để phân phát đơn vị luồng t sử dụng đường P Để lập công thức phương trình 4.1 đến 4.4 xem xét xây dựng biểu đồ với mn đường: m đường từ nguồn liệu qua m kênh truyền nối tới thị Những biến yij hiểu bít Chú ý (4.23) (4.24) Bản chất phía sau phương pháp thực nghiệm biểu diễn biểu đồ hình 4.2 [1] Khi toán luồng tương tranh giải quyết, giá trị  tối ưu lớn nhỏ Trong trường hợp đầu, chương trình tính khả thi phân bổ tổng cộng nghiệm tốt cho toán phân bổ nguồn tần số Trong trường hợp sau, chương trình khả thi phân bổ tổng cộng nhìn chung tối ưu thông lượng Trong trường hợp phạm vi nghiệm phải theo giá trị hàm mục tiêu chương trình luồng tương tranh suy rộng Tiếp theo, ta phân chia phần lại khung theo cách tối ưu thông lượng, cách phân thời gian lại sóng mang tới khách hàng với tốc độ liệu tốt sóng mang Từ kết tham khảo [3], độ phức tạp thời gian phương pháp Heuristic cho luồng tương tranh O[ 2 (k1  k log k )( k1  n)] , k 1 2mn  m số lượng cạnh k  2(m  n) số lượng nút biểu đồ luồng tương tranh tính toán Chúng ta lưu ý rằng, ưu điểm công thức thuật toán không phụ thuộc vào giá trị ma trận điều kiện kênh Nghiệm cung cấp phương pháp thực nghiệm theo cách: số phần khung phân bổ dựa theo luồng tương tranh, tức là, nghiệm tối ưu định cỡ lại, thời gian tổng cộng phân sóng mang Điều nghiệm tối ưu cho toán luồng tương tranh tìm phân bổ cho x i ij  T với j Điều phần không gian dư lại đưa đến giá trị lớn  cạnh tương ứng với m kênh truyền có dung lượng T liên kết với chúng, cạnh lại dung lượng Công thức kết biểu diễn phương trình 4.20 đến 4.24 (4.20) 46 47 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX  : tốc độ đạt người sử dụng i kênh truyền j  : công suất nhiễu ồn nhận thức người dùng i kênh truyền j  : tốc độ tổng cho người dùng tất kênh truyền phải lớn tốc độ mục tiêu  Hình Lập công thức luồng tƣơng tranh 4.3 Cấp phát kênh phối hợp với công suất Nghiệm công thức cực đại thông lượng nói hoàn toàn không xem xét toán cấp phát công suất Nói chung, điều không tối ưu gắn kết với điều khiển công suất Trong phần này, lập công thức cho toán điều khiển công suất tối ưu để cấp phát công suất cho người dùng cách tối ưu qua tất sóng mang con, cố gắng để thỏa mãn ràng buộc QoS Hàm mục tiêu cho công thức giữ nguyên, tìm kiếm cực đại thông lượng, với ràng buộc nhu cầu cho người dùng [1] (4.25) Với điều kiện: ) (4.26) (4.27) (4.28) (4.29) cho người dùng cho trước i : giới hạn công suất cho người dùng Có thể thấy công thức lập (phương trình 4.25 đến 4.30) khó để giải có mặt ràng buộc dạng Để hiểu rõ chất khó khăn toán điều khiển công suất trên, tập trung vào phiên đơn giản hoá theo trạng thái cực trị SINR Trong thiết lập này, tập hợp kênh truyền trực giao phải cấp phát cho tập người dùng, người dùng lại chia công suất cách tối ưu qua tất kênh truyền phân cho Trong giải pháp cấp phát công suất tối ưu có cấu trúc kiểu đơn giản “waterfilling” – “điền đầy nước”, toán cấp phát kênh truyền tối ưu khó khăn phụ thuộc phi tuyến tính thông lượng người dùng lên tập hợp kênh truyền cấp phát cho Do việc cấp phát kênh truyền tối ưu đòi hỏi nhiều tính toán, nên phân tích hệ thống hai trạng thái cực trị SINR (khi SINR cao thấp) làm nghiệm tối ưu đạt tình qua phương thức tính toán hiệu Cuối cùng, chứng minh giá trị tốt nghiệm tối ưu nhận từ hai thái cực cho thấy hiệu gần tối ưu toàn miền SINR Chú ý chất toán điều khiển công suất xem xét ứng dụng cho truyền tin (dữ liệu) đường lên Không tính tổng quát, giả sử thời gian chia khe tập trung vào toán cấp phát kênh truyền cho người dùng cho khe thời gian cho trước Nhắc lại rằng, nhiều kênh truyền cấp phát cho người dùng đơn lẻ, kênh truyền đơn lẻ chia sẻ nhiều người dùng Do đó, cấp phát kênh truyền cho người dùng tương ứng với ánh xạ điểm - đa điểm từ người dùng đến kênh Trong chương này, nói đến cấp phát đa ánh giản đồ phân đôi người dùng – kênh truyền (hình 4.5) (4.30) Những số hạng giới thiệu công thức miêu tả sau:  : công suất cấp phát người sử dụng i kênh truyền j 48 49 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX điều kiện phân bổ công suất tối ưu cho kênh phân Một tiếp cận “chất phác” để giải toán đếm tất polymatching tính toán thông lượng đạt tới cho polymatching cách chạy thuật toán “điền đầy nước”, sau chọn lựa polymatching đạt giá trị thông lượng cực đại Tuy nhiên số lượng polymatching nhìn chung hàm số mũ theo kích thước giản đồ phân đôi người dùng – kênh truyền, nên cách tiếp cận kiểu đắt đỏ, không khả thi với số lượng lớn kênh truyền người dùng Do mục tiêu cấp phát kênh truyền tối ưu gần tối ưu với phương thức tính toán đơn giản 4.3.1 Hình Một polymatching: Hình vẽ polymatching giá trị cho bốn ngƣời dùng sáu kênh truyền (Chú ý rằng: Polymatching đƣợc biểu diễn đƣờng in đậm) Ta gọi tập biểu diễn tất polymatching giản đồ phân đôi người dùng – kênh truyền Thông lượng người dùng i kênh j cấp phát cho hình thức , số Để đơn giản, giả sử , phân tích thuật toán mà giới thiệu chương dễ dàng mở rộng cho trường hợp tổng quát Bài toán thông lượng cực đại cho toàn hệ thống đưa sau [1]: (4.31) Với điều kiện: (4.32) (4.33) Phân tích thông lượng trạng thái SINR cao Trong phần này, phân tích thông lượng giành người dụng i trạng thái SINR cao để đưa thuật toán tính toán cấp phát kênh truyền (polymatching) tối ưu trạng thái SINR Xét người dùng i bất kỳ, ký hiệu biểu diễn tập hợp kênh truyền cấp phát cho người dùng i Đặt Trong trạng thái SINR cao, Điều diễn tả cấp phát công suất làm để tối ưu thông lượng người dùng, người dùng dùng tất kênh truyền cấp phát cho nó, cấp phát công suất tương ứng với giải pháp “điền đầy nước”, đặc trưng đây: (4.35) Tính tổng tất kênh truyền (4.36) công suất truyền tổng người dùng i dùng i, định nghĩa công suất nhiễu tổng người Nếu biểu diễn thông lượng đạt người dùng i thể viết: (4.34) , sau ta có (4.37) Chú ý với polymatching cho trước, toán giảm xuống thành toán cấp phát công suất tối ưu cho người dùng, mà nghiệm tương ứng với cấu trúc “điền đầy nước” kênh truyền khác cấp phát cho người dùng Bài toán nêu phức tạp nhiều, nhiên, tương ứng với một toán cấp phát kênh phối hợp với công suất, đòi hỏi tìm kiếm cấp phát kênh truyền (polymatching) mang lại thông lượng hệ thống tốt 50 , đạt được: (4.38) (4.39) 51 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX (4.40) Ở xấp xỉ đến từ giả thiết SINR cao, lượng cho người dùng i sau: Do đó, ta viết thông (4.41) Điểm quan trọng biểu thức thông lượng chỗ cho phép lượng tử hoá theo tiêu chuẩn tăng việc cấp phát kênh truyền j cho người dùng i Nhìn chung, tiêu chuẩn tăng hàm i, j, k i Cụ thể, xét tiêu chuẩn tăng việc cấp phát kênh truyền j cho người dùng i, k-1 kênh truyền cấp phát cho Sau đó, dùng biểu thức thông lượng phương trình 4.41, tiêu chuẩn tăng trường hợp này, ký hiệu  ijk , biểu diễn sau (chú ý hai trường hợp – trước sau có cấp phát kênh truyền j – công suất tổng Pi sẵn có người dùng i phân chia theo kỹ thuật “điền đầy nước” qua tập kênh cấp phát):  ijk  log( Pi )  [k log( k )  (k  1) log( k  1)]  log( nij ) (4.42) Trong biểu thức trên, (k  1) log(k  1) k  nên hiểu Chúng ta ý biểu thức cho tiêu chuẩn tăng bao gồm số hạng xác định kênh truyền j thêm vào ( log( nij ) ), số lượng kênh truyền cấp phát (k) công suất tổng người dùng i, Pi Do đó, biểu thức tiêu chuẩn tăng không phụ thuộc vào tập xác kênh truyền cấp phát cho người dùng i, mà phụ thuộc vào kích thước tập (k) Điều cho phép thiết lập công thức giản đồ sau toán cực đại thông lượng trạng thái SINR cao Trong hình 4.6, L nút miêu tả cho người dùng tách thành M nút con, nút cho kênh truyền Những kênh truyền biểu diễn cách tách biệt dùng M nút thông thường Tất cạnh nút người dùng kênh truyền vẽ, với trọng số cạnh tính toán sử dụng phương trình 4.42 Trong cấu trúc đưa , ý matching giản đồ cấu trúc phân đôi tương ứng với polymatching giản đồ gốc Hình 4 Biểu đồ cấu trúc Thêm nữa, kiểm nghiệm trọng số cạnh thể đặc tính giảm k, là, cho Nếu (i,j,k) biểu diễn cạnh nút nhỏ k người dùng i kênh truyền j, đặc tính giảm trọng số cạnh ngụ ý matching trọng số cực đại (với trọng số cạnh) làm cho cạnh tương ứng có giá trị k thấp giá trị i j Như vậy, matching trọng số cực đại, người dùng i có nút làm cho phù hợp nút không làm cho phù hợp Phạm vị tranh luận mở rộng xa cho thấy matching trọng số cực đại tương ứng với polymatching làm cực đại hóa tổng thông lượng người dùng, thông lượng người dùng xác định phương trình 4.41 Vì vậy, trạng thái SINR cao, cấp phát kênh truyền tối ưu tính toán cách tính toán phù hợp trọng số cực đại giản đồ phân đôi cấu trúc trên, độ phức tạp sử dụng thuật toán Hungarian cổ điển Chúng ta coi thuật toán thuật toán HSO (tối ưu SINR cao).[1] 52 53 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX 4.3.2 Phân tích thông lượng trạng thái SINR thấp Trong trạng thái SINR thấp, xấp xỉ hàm mục tiêu là: (4.43) sử dụng xấp xỉ Thêm nữa, giả sử tất giá trị khác nhau, sau giá trị SINR đủ nhỏ, người dùng cấp phát tất công suất vào kênh đơn - kênh với nhỏ số tất kênh truyền phân cho người dùng Chính xác hơn, giá trị khác , với , người dùng i cấp phát tất công suất cho kênh truyền có ồn cực tiểu để cực đại thông lượng (Lưu ý rằng, tình ngược lại với trường hợp SINR cao, người dùng sử dụng tất kênh truyền cấp phát cho họ) Sử dụng thực tế này, phương trình (4.43), thấy sách cấp phát kênh truyền cho thông lượng cực đại chế độ SINR thấp tương ứng với matching trọng số cực đại sơ đồ phân đôi đầy đủ người dùng kênh truyền, với trọng số cạnh Matching trọng số cực đại tính toán hàm thời gian , sử dụng thuật toán Hungarian [8] Chú ý rằng, số kênh truyền nhiều số người dùng, thuật toán matching bỏ lại số kênh truyền không cấp phát cho người dùng Trong thực tế, lớn khác tối thiếu mức ồn, việc bỏ lại kênh truyền sẵn có không cấp phát dẫn đến lãng phí đáng kể tài nguyên Do đó, chạy matching lặp lặp lại loại kênh truyền cấp phát phép lặp trước đó, tận tất kênh truyền cấp phát Chúng ta nhắc đến thuật toán thuật toán LSO (thuật toán tối ưu với SINR thấp) Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX 4.4 Mô thuật toán Heuristic cho cấp phát tài nguyên WiMAX Dựa nguyên lý lý thuyết phân tích mục nói trên, phần luận văn tiến hành mô phương pháp cấp phát tài nguyên đảm bảo QoS WiMAX cho người dùng chấp thuận cung cấp dịch vụ dựa theo thuật toán Heuristic Sau số tính chất ngắn gọn thuật toán 4.4.1 Thuật toán Heuristic Thuật giải Heuristic thường áp dụng để giải toán có nhiều phương án lựa chọn nhằm hướng đến mục tiêu với tiêu chí: - Tìm lời giải tốt (dù không lời giải tốt nhất) - Giải toán theo thuật giải Heuristic thường dễ dàng nhanh chóng đưa kết so với giải thuật tối ưu, chi phí thấp - Thuật giải Heuristic thường thể tự nhiên, gần gũi với cách suy nghĩ hành động người Có nhiều phương pháp để xây dựng thuật giải Heuristic, người ta thường dựa vào số nguyên lý sau: Nguyên lý vét cạn thông minh: Trong toán tìm kiếm đó, không gian tìm kiếm lớn, ta thường tìm cách giới hạn lại không gian tìm kiếm thực kiểu dò tìm đặc biệt dựa vào đặc thù toán để nhanh chóng tìm mục tiêu Nguyên lý tham lam (Greedy): Lấy tiêu chuẩn tối ưu phạm vi cục để tìm kiếm lời giải phạm vi toàn cục toán làm tiêu chuẩn chọn lựa hành động Nguyên lý thứ tự: Thực hành động dựa cấu trúc thứ tự hợp lý không gian khảo sát nhằm nhanh chóng đạt lời giải tốt 4.4.2 Một số toán thường gặp Chúng ta thấy thuật toán HSO đạt cấp phát kênh tối ưu (tỷ số hiệu 1) điều kiện SINR cao Trong thực tế, tỉ số hiệu HSO gần tối ưu SINR gần với phần tử đơn vị lớn Ngược lại, thuật toán LSO gần tối ưu SINR thấp; hiệu trở lên tồi SINR tăng dự đoán Vì vậy, ta nhận thấy tốt thuật toán HSO LSO cho tối ưu toàn miền SINR xem xét Hiệu coi tốt so với phương pháp Heuristics gia tăng Do đó, thực tế, chạy hai thuật toán HSO LSO, chọn nghiệm tốt hơn, kết cho hiệu gần tối ưu, không quan tâm đến giá trị SINR bao nhiêu, với chi phí tính toán nhỏ Có hai toán bật ứng dụng thuật giải Heuristic toán hành trình ngắn ứng dụng nguyên lý Greedy toán phân việc ứng dụng nguyên lý thứ tự trình bày 54 55 Bài toán hành trình ngắn – ứng dụng nguyên lý Greedy Bài toán: Hãy tìm hành trình cho người giao hàng qua n điểm khác nhau, điểm qua lần trở điểm xuất phát cho tổng chiều dài đoạn đường cần ngắn Giả sử có đường nối trực tiếp từ hai điểm Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Tất nhiên ta giải toán cách liệt kê tất đường đi, tính chiều dài đường tìm đường có chiều dài ngắn Tuy nhiên, cách giải lại có độ phức tạp O(n!) (vì hành trình hoán vị n điểm, đó, tổng số hành trình số lượng hoán vị tập n phần tử n!) Do đó, số đại lý tăng số đường phải xét tăng lên nhanh Một cách giải đơn giản nhiều thường cho kết tương đối tốt dùng thuật giải Heuristic ứng dụng nguyên lý Greedy Tư tưởng thuật giải là:  Từ điểm khởi đầu, ta liệt kê tất quãng đường từ điểm xuất phát n đại lý chọn theo đường ngắn  Khi đến đại lý, chọn đến đại lý theo nguyên tắc Nghĩa liệt kê tất đường từ đại lý ta đứng đến đại lý chưa đến Chọn đường ngắn Lặp lại trình lúc không đại lý để Theo nguyên lý Greedy, tiêu chuẩn hành trình ngắn toán làm tiêu chuẩn cho chọn lựa cục Ta hy vọng rằng, n đoạn đường ngắn cuối ta có hành trình ngắn Điều lúc Với điều kiện hình thuật giải cho hành trình có chiều dài 14 hành trình tối ưu 13 Kết thuật giải Heuristic trường hợp lệch đơn vị so với kết tối ưu Trong đó, độ phức tạp thuật giải Heuristic O(n2) Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX 4.4.3 Mô cho toán lập lịch dùng thuật toán Heuristic Như đề cập trên, kiến trúc lớp MAC thể qua ba giai đoạn: giải xung đột nhiều người dùng truy cập mạng (kỹ thuật đa truy cập), định chấp nhận người gọi hay không nhận yêu cầu họ (điều khiển tiếp nhận), sau cách thức phân chia tài nguyên cho người dùng tiếp nhận họ (cấp phát tài nguyên) Kỹ thuật đa truy cập định nghĩa đầy đủ tiêu chuẩn 802.16 song điều khiển tiếp nhận cấp phát tài nguyên để ngỏ cho nhà khai thác thiết bị phát triển Có kỹ thuật thuật toán giới thiệu trên, cho ta tranh hoàn chỉnh lập chương trình thỏa mãn yêu cầu QoS người dung WiMAX Do tính chất khó khăn phức tạp hệ thống tính toán để tìm kiếm lời giải tối ưu, khuôn khổ luận văn ta tiến hành mô đánh giá phương pháp cấp phát tài nguyên đảm bảo mục tiêu : QoS cho người dùng cực đại tài nguyên sử dụng theo thuật toán Heuristic Thuật toán Heuristic áp dụng dựa nguyên lý tham lam Greedy: lấy tiêu chuẩn cực đại cục làm tiêu chuẩn hành động cho bước kết hợp với kiểm tra yêu cầu QoS để đạt cực đại toàn cục hệ thống Lưu đồ chương trình mô thuật toán Heuristic nêu sau: Bài toán phân việc - ứng dụng nguyên lý thứ tự Bài toán: Một công ty nhận hợp đồng gia công m chi tiết máy J1, J2, …, Jm Công ty có n máy gia công P1, P2, … , Pn Mọi chi tiết gia công máy Một gia công chi tiết máy, công việc tiếp tục lúc hoàn thành, bị cắt ngang Để gia công việc J1 máy ta cần dùng thời gian tương ứng t1 Nhiệm vụ công ty phải gia công xong toàn n chi tiết thời gian sớm Thuật toán tìm phương án tối ưu L0 cho toán theo kiểu vét cạn có độ phức tạp cỡ O(mn) (với m số máy n số công việc) Song giải thuật Heuristic đơn giản (độ phức tạp O(n)) để giải toán này:  Sắp xếp công việc theo thứ tự giảm dần thời gian gia công  Lần lượt xếp việc theo thứ tự vào máy dư nhiều thời gian 56 57 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX - Sau phân lượt phải kiểm tra QoS người dùng, đủ loại người khỏi danh sách cấp để dành tài nguyên cho người chưa đủ lượt phân sau (Chú ý thời điểm sóng mang phân cho người dùng) - Khi tất đủ QoS, tài nguyên lại sóng mang hay khe thời gian áp dụng chiến thuật phân theo maxmax tức khe thời gian sóng mang phân cho người dùng có phẩn hồi (tốc độ tốt nhất) sóng mang 4.4.4 Kịch kết mô 4.4.2.1 Kịch mô Dưới ta mô tả kịch chương trình mô lập lịch WiMAX theo thuật toán Heuristic Khe thời gian thứ nhất: I Gieo ma trận ngẫu nhiên A với N (người dùng) x M (kênh) Đây số liệu báo cáo BTS người dùng chất lượng sóng mang cho phép truyền với tốc độ (bít/s) II Thuật toán Tìm max max(NxM) – sóng mang tốt người dùng có tốc độ tốt sóng mang đó, tọa độ Use N(i) sóng mang M(j) Loại cột j khỏi ma trận A, lại tìm maxmax ma trận lại Tìm tọa độ tương ứng với Use N(k) sóng mang M(l) Hình 5: Lƣu đồ mô thuật toán Heuristic cho cấp phát tài nguyên mạng Có thể tóm tắt chiến lược phân sóng mang miêu tả lưu đồ thực thuật toán Heuristic hình 4.5 sau: - Tại khe thời gian phải phân phân hết tài nguyên sóng mang (vì cập nhật khe thời gian sau có báo cáo ma trận kênh khác) - Cách phân ưu tiên chọn kênh có điều kiện tốt phân trước để cực đại thông lượng So sánh lưu lượng phân người so với yêu cầu, vượt di loại người dùng khỏi danh sách, không giữ nguyên Khi số người danh sách lại khác không, xây dưng lại ma trận A lại người sóng mang lại để phân lần cách dùng lệnh maxmax Khi tất người dùng thỏa mãn QoS mà thừa sóng mang con, sóng mang lại phân theo nguyên lý maxmax mà không cần kiểm tra lại QoS Áp dụng bước hết sóng mang Báo cáo kết phân tài nguyên tổng cộng khe thời gian thứ Loại người đủ yêu cầu di khỏi danh sách 58 59 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Khe thời gian thứ 2: Gieo lại ma trận NxM Tách ma trận gồm người lại với tất tài nguyên sóng mang, thực phân maxmax để đảm bảo Qos cho người lại tất đảm bảo yêu cầu di Lúc thừa sóng mang hay thừa khe thời gian phân cho thứ tự người dùng theo bước maxmax mà không cần kiểm tra lại QoS Lặp lại hết khe thời gian khung thời gian T 4.4.2.2 Kết mô Hình Thông lƣợng hệ thống với yêu cầu QoS 40 Hình Thông lƣợng hệ thống với yêu cầu QoS 20 Hình Thông lƣợng hệ thống với yêu cầu QoS 10 60 60 61 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX KẾT LUẬN Mặc dù mạng 3G triển khai phát triển mạnh mẽ, nhiên mạng WiMAX giữ vai trò ứng dụng định cho khu vực hẻo lánh, mật độ dân cư thưa hay địa hình khó khăn ưu điểm riêng Đó là, khả sử dụng tài nguyên xa (tầm phát lên đến 50-70 km) đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ phong phú Cũng mạng thông tin vô tuyến khác, người dùng mạng WiMAX chia nguồn tài nguyên vô tuyến hữu hạn cho yêu cầu dịch vụ nhà khai thác mạng muốn sử dụng tài nguyên vô tuyến cách hiệu Yêu cầu chất lượng dịch vụ người dùng mong muốn cực đại thông lượng mạng nhà cung cấp dường trái ngược Vì vậy, thuật toán - kỹ thuật, để dung hòa hai nhu cầu cần thiết có ý nghĩa, tìm hiểu Luận văn tìm hiểu kỹ thuật lập lịch điều khiển cho lớp MAC mạng WiMAX Những kỹ thuật lập lịch điều khiển thực qua ba giai đoạn: Hình Thông lƣợng hệ thống với yêu cầu QoS 5, 10, 40 60 Nhận xét: Hình 4.6 4.7 kết mô với kịch yêu cầu chất lượng dịch vụ khác 20 Mb 40 Mb Ở đâyta giả sử hệ thống 802.16 có thời gian khung khe thời gian Tất khách hàng có yêu cầu giống Điều kiện kênh truyền cho khách hàng lựa chọn cách ngẫu nhiên 10 Mbp Hệ thống vận hành tám sóng mang với người dùng Với điều kiện mô thông lượng hệ thống đạt từ 170 đến 225 cho QoS yêu cầu 20Mb từ 180 đến 230 cho yêu cầu QoS 40 Mb Giữa hai lượt thử cho hai giá trị QoS khác thông lượng hệ thống không sai khác đáng kể điều kiện thử có thông lượng hệ thống đủ đáp ứng tương tốt yêu cầu người dùng Hình 4.8 4.9 kết mô yêu cầu chất lượng dịch vụ người dùng khác nhau, ta thấy thuật toán đảm bảo đáp ứng đủ yêu cầu QoS người dùng cố gắng đạt thông lượng cực đại hệ thống 62 - Điều khiển đa truy cập Điều khiển tiếp nhận Cấp phát tài nguyên (phối hợp với công suất) Luận văn thực việc mô đánh giá hiệu hai kỹ thuật đa truy cập p-ALOHA s-ALOHA Những kỹ thuật đề xuất cho điều khiển tiếp nhận cấp phát tài nguyên điều khiển tiếp nhận dùng Lôgic mờ tìm hiểu luận văn Do tính chất phức tạp thuật toán kỹ thuật đề xuất, nên phạm vi luận văn ta lựa chọn thuật toán Heuristic cho cấp phát tài nguyên thỏa mãn QoS cực đại thông lượng để thực mô đánh giá Những thuật toán lập lịch điều khiển giới thiệu có chi phí tính toán thấp (đáp ứng thời gian thực) tốt việc đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ người dùng mong muốn thông lượng mạng Vì chúng khả thi việc ứng dụng thực tế 63 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC [1] Syed Ahson and Mohammad Ilyas, WiMAX – Technologies, Performance Analysis, and QoS, pp 173-263 Phụ lục 1: Chƣơng trình p-ALOHA % Pure ALOHA System [2] Hiroshi Harada and Ramjee Prasad, “Simulation and software radio for mobile communication”, chapter 6, pp 271-334 function [next_time] = paloha(now_time) [3] L Fleischer and K Wayne, Fast and Simple Approximation Schemes for Generalized Flow, Mathematical Programming, Vol 91, No 2, pp 215–238, 2002 global STANDBY TRANSMIT COLLISION [4] L Fleischer and K.Wayne, Faster Approximation Algorithms for Generalized Network Flow, Proceedings of the ACM/SIAM Symposium on Discrete Algorithms, 1999 global Srate Plen [5] WiMAX forum, Mobile WiMAX – Part I: A technical overview and performance evaluation, pp 13-17 global Tint Rint global Mnum Mplen Mstate global Spnum Splen Tplen Wtime [6] Cummings, M., J Hoffmeyer and S Blust, “Modular Multifunctional Information Transfer System Forum”, 1st Software Radio Workshop, Brussels, Belgium persistent mgtime mtime [7] I Koffman and V Roman, Broadband wireless access solutions based on OFDM access in IEEE 802.16, IEEE Commn Mag., vol 40, no 4, pp 96–103, April 2002 if now_time < [8] H W Kuhn, The Hungarian Method for the Assignment problem, Naval Research Logistic Quarterly, Vol 2, pp 83–97, 1955 [9] Q Liu, S Zhou, and G B Giannakis, Queueing with adaptive modulation and coding over wireless links: cross-layer analysis and design, IEEE Trans Wireless Commn., vol 4, no 3, pp 1142–1153, May 2005 % definition of the global variable % definition of the static variable % initialize access terminals rand('state',sum(100*clock)); mgtime % resetting of the random table = -Tint * log(1-rand(1,Mnum)); mtime = mgtime; Mstate = zeros(1,Mnum); % packet transmitting time Mplen(1:Mnum) = Plen; [10] Thong Nguyen, University of Technology Sydney, Australia, “Tutorial – Broadband Wireless Access: WiMAX”, chapter 6, pp 109-113 next_time % packet length = min(mtime); return [11] D Niyato and E Hossain, A queueing-theoretic and optimization-based model for radio resource management in IEEE 802.16 broadband wireless networks, IEEE Trans Comput., vol 55, no 11, pp 1473–1488, November 2006 end [12] URL: http://www.laynetworks.com/Aloha%20Simulation%20Validation.htm idx = find(mtime==now_time & Mstate==TRANSMIT); terminal which transmission succeeded [13] N Young, Sequential and Parallel Algorithms for Mixed Covering and Packing, Proceedings of Foundations of Computer Science 2001, p 538 if length(idx) > [14] M Zorzi, PDU dropping statistics of a data-link protocol for wireless local communications, IEEE Trans Vehicular Technol., vol 52, no 1, pp 71–79, January 2003 Spnum = Spnum + 1; Splen = Splen + Mplen(idx); Wtime = Wtime + now_time - mgtime(idx); Mstate(idx) = STANDBY; 64 % packet generation time 65 % finding of the Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX mgtime(idx) generation time = now_time - Tint * log(1-rand); % Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX next packet Mstate = zeros(1,Mnum); Mplen(1:Mnum) = Plen; mtime(idx) = mgtime(idx); transmitting time % next packet next_time % packet length = min(mtime); return end end idx = find(mtime==now_time & Mstate==COLLISION); terminal which transmission failed % finding of the if length(idx) > Mstate(idx) = STANDBY; if length(idx) > Mstate(idx) = STANDBY; mtime(idx) mtime(idx) = now_time - Rint * log(1-rand(1,length(idx))); mtime(idx) = (fix(mtime(idx)/slot)+1) * slot; % waiting time = now_time - Rint * log(1-rand(1,length(idx))); % resending time % resending time end end idx = find(mtime==now_time); % finding of the Phụ lục 3: Thuật toán Heuristic thỏa mãn QoS cho cực đại thông lƣợng %terminal which transmission start % Gieo ma tran luu luong: user=N, song mang con=M, khe thoi gian=K if length(idx) > K=4; Mstate(idx) = TRANSMIT; mtime(idx) transmitting Tplen = now_time N=4; + Mplen(idx) / Srate; % end time of M=8; P=zeros (1,20); = Tplen + sum(Mplen(idx)); use=zeros (N,20);% Ma tran nguoi dung luc dau end %d=ones(N,1)*40;% Chi so QoS cua nguoi dung 20 next_time = min(mtime); % next state change time d=[5; 20; 40; 60];% Chi so QoS cua nguoi dung khac for l=1:20 %Chay 20 lan, moi lan khe thoi gian de ve thi for k=1:K Phụ lục 2: Định thời s-ALOHA % khe thoi gian % moi khe thoi gian khoi phat ma tran kenh % Slotted ALOHA System A=10*rand([N M]);% Do la ma tran phan hoi tu cac user ve BTS B=A; if now_time < % initialize access terminal rand('state',sum(100*clock)); slot mgtime mtime = Plen / Srate; % resetting of the random table = -Tint * log(1-rand(1,Mnum)); 66 A(j,:)=0; % packet generation time % packet transmitting time % Truoc phan song mang kiem tra if use ((j),l)>d(j) % slot length = (fix(mgtime/slot)+1) * slot; % cho nang luc duong truyen tb 10Mb/s phan bo deu for j=1:N % nguoi dung, neu da du QoS %se loai hang khoi ma tran A end end 67 Kiến trúc chương trình đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ mạng WiMAX if sum(sum(A))==0 % Neu tat ca deu du QoS thi lay lai ma tran dau A=B; end for i=1:M % Chay cho den het song mang Ta(i)= max(max(A)); % Tim gia tri luu luong max ma tran A [x(i) y(i)]=find(A==Ta (i));% Tim use (x(i),l)=use(x(i),l)+Ta (i); toa nguoi dung, song mang P(l) = P(l) + Ta (i);% Tich luy luu luong tong cong A(:,y(i))=[];% Update ma tran sau loai bo song mang da dung C=A; if (use(x(i),l))>d(x(i)) % neu vuot nguong QoS cua nguoi dung x(i) A(x(i),:)=0; % Loai bo nguoi dung da thoa man QoS, update lai ma tran end if sum (sum(A))==0 A=C; % Khi tat ca nguoi dung da thoa man QoS, % Lay lai ma tran B de phan phoi tu nham max throuput end i=i+1; % Lap lai phan cho den het song mang end k=k+1; end l=l+1; end plot(1:20,P,'b',1:20,use(1,:),'g',1:20,use(2,:),'r',1:20,use(3,:),'c',1:20 ,use(4,:),'m'); title('Thong luong nguoi nhau' ,'FontSize',16); dung va he % title xlabel('Mau thu','FontSize',14); thong voi QoS khac % x axis label ylabel('Thong luong (Mb)','FontSize',14); % y axis label %legend('System','User1','User2','User3','User4',0) legend('System','User1 QoS=60',0) QoS=5','User3 68 QoS=20','User3 QoS=40','User4