Nghiên cứu, đánh giá hiệu suất một số thuật toán quản trị tài nguyên trong mạng không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIÁP THỊ HƢỜNG NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MỘT SỐ THUẬT TOÁN QUẢN TRỊ TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG KHÔNG DÂY Ngành: Công nghệ thông tin Mã số : 1.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Duy Lợi Hà Nội - 2007 Mục lục DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG – TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO 1.1 Lịch sử phát triển mạng di động 1.2 Kiến trúc mạng di động tế bào 1.3 Vấn đề gán kênh Error! Bookmark not defined 1.3.1 Các chiến lược gán kênh Error! Bookmark not defined 1.3.2 Tiêu chí đánh giá chiến lược gán kênhError! Bookmark not defined CHƢƠNG - CHIẾN LƢỢC MƢỢN KÊNH CÓ CHỌN LỌC TRÊN CƠ SỞ CÂN BẰNG TẢI ĐỘNG Error! Bookmark not defined 2.1 Mô hình mạng định nghĩa Error! Bookmark not defined 2.1.1 Lược đồ phân phối cố định sử dụng mô hình mẫuError! Bookmark not defined 2.1.2 Chiến lược thuê kênh Error! Bookmark not defined 2.1.3 Lược đồ phân phối tần số có cân tảiError! Bookmark not defined 2.2 Kiến trúc cân tải Error! Bookmark not defined 2.2.1 Phân lớp tế bào Error! Bookmark not defined 2.2.2 Phân lớp thuê bao bên tế bàoError! Bookmark not defined 2.3 Nguyên tắc mƣợn kênh có chọn lọc (LBSB)Error! Bookmark not defined 2.3.1 Chiến lược thuê kênh Error! Bookmark not defined 2.3.2 Nguyên tắc chiến lược mượn kênhError! Bookmark not defined 2.3.3 Chiến lược gán kênh Error! Bookmark not defined 2.3.3.1 Phân lớp yêu cầu kênh Error! Bookmark not defined 2.3.3.2 Thuật toán gán kênh Error! Bookmark not defined 2.4 Đánh giá hiệu suất hoạt động chiến lƣợc mƣợn kênhError! Bookmark not defined 2.4.1 Mô hình Markov Error! Bookmark not defined 2.4.2 Tính toán thông số h Error! Bookmark not defined 2.4.3 Kết thực nghiệm Error! Bookmark not defined CHƢƠNG - CHIẾN LƢỢC GÁN KÊNH ĐỘNGError! Bookmark not defined 3.1 Đặt vấn đề Error! Bookmark not defined 3.2 Phƣơng thức trao đổi thông tin di động Error! Bookmark not defined 3.2.1 Cấu trúc liệu Error! Bookmark not defined 3 3.2.2 Kiểu thông điệp hàm hệ thống Error! Bookmark not defined 3.2.3 Các thủ tục hàm Error! Bookmark not defined 3.3 Thuật toán gán kênh thích nghi Error! Bookmark not defined 3.3.1 Mô tả thuật toán Error! Bookmark not defined 3.3.2 Tính đắn thuật toán Error! Bookmark not defined 3.3.3 Hiệu suất thuật toán Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11 MỞ ĐẦU Ngày nay, dịch vụ không dây lĩnh vực truyền thông phát triển mạnh mẽ Trên giới Việt Nam, số lượng thiết bị không dây sử dụng khai thác nguồn tài nguyên mạng tăng lên nhanh chóng số lượng, vậy, đồng hành với số lượng, nhà nghiên cứu tìm thuật toán, giải pháp tối ưu để sử dụng nguồn tài nguyên mạng hiệu Các lược đồ phân phối kênh động thu hút quan tâm đặc biệt nhà nghiên cứu, ví dụ phương pháp để khai thác hiệu nguồn tài nguyên sẵn có mạng không dây Sự kết hợp rộng rãi thành phần như: nhiệm vụ kênh cố định, mượn kênh, chia sẻ kênh, điều hành kênh, phân bố lại nhiệm vụ kênh, điều chỉnh động tham số yêu cầu Các sách phân phối kênh động giúp mở rộng khái niệm nêu dịch vụ tích hợp hệ thống không dây tương lai Nghiên cứu vấn đề phân phối nguồn tài nguyên tối ưu mạng không dây, có tài nguyên quý giá (băng thông) phải sử dụng hiệu chia sẻ công người sử dụng So với mạng có dây truyền thống, tính chất đặc trưng mạng không dây đặt cho nhiều thử thách mới, ngăn chặn ứng dụng lặp phương pháp phân phối nguồn tài nguyên sẵn có Nghiên cứu phân loại lược đồ phân phối kênh động phạm vi luận văn trả lời câu hỏi: o Khi chấp nhận tín hiệu truy nhập? o Kênh có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu truy nhập? o Khi làm cách để phân lại nhiệm vụ cho kênh tín hiệu truy nhập tồn tại? Luận văn chia làm ba phần tương ứng với ba chương:  Chƣơng 1- Tổng quan Mạng di động tế bào: Chương trình bày lịch sử phát triển, giới thiệu số hệ thống mạng di động ứng dụng giới Các khái niệm mạng di động tế bào, quan trọng khái niệm tái sử dụng tần số, giới thiệu số chiến lược cấp phát kênh tiêu chí đánh giá hiệu suất chiến lược cấp phát  Chƣơng - Chiến lược mượn kênh có chọn lọc sở cân tải động: Chương trình bày kỹ thuật cân tải đơn giản môi trường tế bào di động để giải toán lưu lượng tải điểm nóng Mục tiêu quan trọng mà ta cần đạt làm giảm bớt nhu cầu kênh tế bào nóng cách thuê kênh từ tế bào lạnh thích hợp có phân phối hợp lý kênh hoạt động số lượng thuê bao khổng lồ Lược đồ phân phối kênh cố định thuận lợi để khởi đầu, thuật toán cân tải chạy định kỳ theo yêu cầu phục thuộc vào tính toán tải hệ thống Một mô hình chuỗi Markov cho tế bào hệ thống giải pháp để đánh giá ngưỡng nhằm xác định tế bào nóng hay lạnh Các ví dụ mô để đánh giá hiệu chiến lược cho thấy lược đồ gán kênh làm giảm đáng kể số lượng gọi bị khoá hệ thống tải với lượng lớn tế bào nóng  Chƣơng - Chiến lược gán kênh động Các lược đồ cấp phát kênh động hỗ trợ tốt điều kiện lưu lượng tải dù thời gian thu nhận kênh lớn phải bổ sung thông điệp điều khiển Chương trình bày lược đồ gán kênh với trạm chuyển mạch làm cân lưu lượng mà không phụ thuộc vào trạm khác vùng giao thoa, mục tiêu làm giảm thiểu tỷ lệ gọi bị rớt, thời điểm trì thời gian thu kênh trung bình độ phức tạp thông điệp nhỏ Ngoài ba chương chính, bố cục luận văn có phần Mở đầu, Kết luận Tài liệu tham khảo Phần kết luận nêu tóm tắt vấn đề trình bày chương, đánh giá kết đạt chưa đạt được, đồng thời đưa định hướng nghiên cứu, phát triển Mặc dù cố gắng, song khuôn khổ thời gian có hạn nên luận văn hạn chế định, tác giả mong nhận góp ý để vấn đề nghiên cứu ngày hoàn thiện 6 CHƢƠNG – TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO 1.1 Lịch sử phát triển mạng di động Năm 1974, FCC cấp dải băng 40 MHz dải tần 800-900 MHz cho lĩnh vực truyền thông tế bào Chuẩn AMPS (Advance Mobile Phone Systems) giới thiệu vào năm 1979 FCC công nhận, lĩnh vực hoạt động chia làm dải: dải A dải B Truyền thông tế bào song công băng tần chia làm đường truyền: 25MHz cấp cho đường định hướng đường downlink, đường truyền từ máy phát tín hiệu ban đầu tới trạm thu tín hiệu đầu cuối Đường truyền thứ hai chủ yếu đường uplink đường đổi chiều theo chiều ngược lại với đường thứ Hai đường truyền chia dải băng an toàn 45MHz để tránh tượng giao thoa kênh phát thu Hình 1.1 mô tả giới hạn dải phổ AMPS quản lý Hình 1.1: Phân bố dải tế bào Mỗi dải A B chiếm giữ 12.5MHz, 10MHz phổ không mở rộng (NES) 2.5MHz phổ mở rộng ES Mỗi dải 12.5MHz chia thành kênh 30kHz, tạo thành tổng số 416 kênh/dải 21 kênh số sử dụng cho thủ tục riêng là: phân phối kênh, xác định vị trí, gửi thông điệp,… chúng gọi kênh điều khiển Các kênh lại dùng để giao tiếp gọi kênh hội thoại Trong AMPS, kênh tần tương đương với sóng mang tần số (sóng tần) trạm di động phân phối kênh Do đó, AMPS FDMA (truy nhập đa tần) hệ thống tế bào tương tự Hệ thống tế bào sử dụng phổ biến Châu TACS (Hệ thống viễn thông truy nhập tổng) NMT (hãng điện thoại di động Nordic) TACS giới thiệu Anh vàp năm 1982, hệ thống hoạt động với dải 900MHz, đường truyền có dải băng 25MHz băng thông kênh 25KHz Tại Ả Rập, Tây Ban Nha xây dựng hệ thống NMT hoạt động với dải 450MHz 900MHz, tổng băng thông 10MHz với băng thông kênh 25KHz 200 kênh Cả hệ thống có khả chuyển giao roaming Tuy nhiên, mạng tế bào quốc gia không tương thích với quốc gia phân phối dải tần khác Trong tương lai, hạn chế dịch vụ mạng tế bào khắc phục phải xây dựng hệ thống mạng tế bào đa quốc gia Tại Nhật, tập đoàn NTT phát triển hệ thống dải 800MHz tương tự AMPS Tokyo xây dựng hệ thống điện thoại di động vào năm 1979 Năm 1985, hệ thống hoạt động dải 30MHz với 600 kênh băng thông kênh 25kHz Hệ thống viễn thông di động hệ thứ 2, hệ thống tế bào số phát triển mạnh mẽ vào năm 1990 Tại Bắc Mỹ, chuẩn mở giới thiệu cho hệ thống tế bào số có sử dụng dải tần AMPS Những chuẩn tích hợp thêm kỹ thuật đa truy nhập tạo thành FDMA NA-TDMA D-AMPS chuẩn IS-54 tích hợp kỹ thuật TDMA, sử dụng chia thời gian chia sẻ cho thuê bao di động (thực tế có thuê bao) Năm 1994, chuẩn IS-95 giới thiệu kỹ thuật CDMA Kỹ thuật dựa điều biến trải phổ cho phép nhiều thuê bao truy nhập tới dải băng Mỗi thuê bao di động phân phối mã trực giao gọi mã Walsh Dải băng 12.5MHz chia thành 10 dải băng CDMA, dải 1.25MHz Mỗi dải CDMA hỗ trợ 64 mã Walsh Mỗi dải CDMA cung cấp gấp lần so với khả hệ thống tương tự [Gar00] Tại Châu Âu, hệ thống viễn thông di động toàn cầu GSM, chuẩn hệ thống điện thoại di động số Pan-European Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) xác lập, giới thiệu vào năm 1982 Đây hệ thống TDMA hoạt động dải 890 - 915 MHz với đường uplink 935 960 MHz với đường downlink Băng thông tần số sóng mang 200MHz chia sẻ cho thuê bao di động có sử dụng chia thời gian 8 Hệ thống tế bào số cá nhân (PDC: Personal Digital Cellular) chuẩn hệ thống tế bào số Nhật, hệ thống TDMA hoạt động dải 800MHz 1.5GHz Nhìn chung, hệ thống PDC giống với hệ thống NATDMA, thuê bao di động chia sẻ tần số sóng mang Với giới hạn dải 800MHz, băng thông đường uplink nằm 810 826MHz đường downlink nằm 940 – 956MHz Thành công công nghệ tế bào hệ thứ giá thành giảm nhiều, dẫn đến bão hoà khả dịch vụ Không hệ thống tế bào phát triển mà khách hàng sử dụng dịch vụ thu phát đa ứng dụng, hỗ trợ âm thanh, liệu đa phương tiện Để hỗ trợ cho nhu cầu cá nhân thuê bao di động, hệ thống vệ tinh bắt đầu khởi động Năm 1989, mạng viễn thông cá nhân (PCN: Personal Communication Network) đưa vào hoạt động dải 1.8GHz PCN phiên GSM, DCS-1800 (Digital Cellular System 1800) ngày gọi GSM-1800 Năm 1991, FCC cung cấp 120MHz quang phổ, chia thành dải băng gọi dịch vụ viễn thông cá nhân băng rộng (PCS) với dải băng 1.85GHz dịch vụ viễn thông cá nhân băng hẹp với dải băng 900MHz Sự phát triển mạnh mẽ hệ thống viễn thông di động phục vụ cộng đồng thương mại thúc đẩy nhanh việc tích hợp mạng di động cố định Ngày nay, mạng di động hoàn toàn có khả đáp ứng dịch vụ đa dạng chất lượng bảo mật Hệ thống di động phải có tính mềm dẻo để tích hợp loại hệ thống viễn thông khác sử dụng hệ thống tế bào chung riêng, hệ thống sóng vô tuyến vệ tinh Những yêu cầu vượt khả công nghệ hệ thống viễn thông di động hệ thứ Những đòi hỏi công nghệ thành phần, quản trị mạng kỹ thuật dịch vụ làm cho đời hệ thống viễn thông di động hệ thứ tất yếu Mục đích hệ thống cung cấp dịch vụ viễn thông từ thuê bao tới thuê bao khác, địa điểm nào, vào thời điểm nào, qua môi trường nào, cách sử dụng thiết bị đầu cuối gọn nhẹ với chất lượng dịch vụ đảm bảo bảo mật an toàn Hai hệ thống phát triển là: UMTS FPLMTS, gọi chung hệ thống viễn thông di động toàn cầu, hoạt động với dải băng 2000 MHz (IMT-2000: International Mobile Telecommunications) Sự phát triển vượt trội hệ thống bệ phóng suốt thập kỷ đầu năm 2000 UMTS xuất sống nhà, quan, ôtô, tàu hoả, máy bay hay UMTS tích hợp tất dịch vụ dịch vụ hệ thống viễn thông di động khác nhau, ví dụ như: điện thoại di động, điện thoại không dây, vô tuyến công cộng, vô tuyến vệ tinh,… Nó cho phép người sử dụng di chuyển suốt trình kết nối mạng viễn thông khác UMTS cung cấp dịch vụ băng rộng, tức khả truyền âm thanh, văn bản, liệu hình ảnh qua kết nối FPLMTS bao gồm tính UMTS, nhiên có khả phân bố tần số toàn cầu FPLMTS định rõ ranh giới không gian nhằm phân chia nhu cầu khác vùng dân cư đông đúc thưa thớt Một yêu cầu UMTS/FPLMTS phải có hiệu suất quang phổ cao, để đạt yêu cầu cần phải có chế quản lý tần số linh hoạt, mềm dẻo nguồn tài nguyên vô tuyến Quản lý tần số đề tài nóng hổi từ cách 20 năm giải pháp đề xuất nghiên cứu, cải tiến để hệ thống viễn thông đạt hiệu suất cao 1.2 Kiến trúc mạng di động tế bào Khái niệm tế bào xuất phát từ hệ thống Bell nằm dịch vụ điện thoại di động tiên tiến, kiến trúc mạng tổ hợp từ tế bào hình lục lăng Các tế bào đại diện cho vùng địa lý Bên tế bào, người sử dụng gọi trạm di động có khả thiết lập nhận liên lạc di chuyển bên mạng tế bào Mỗi tế bào có trạm điều khiển cung cấp kênh tần số cho trạm di động Mỗi trạm điều khiển dịch vụ điện thoại di động tiên tiến (AMPS) coi tế bào Mỗi tế bào liên kết với trung tâm chuyển mạch di động (MSC) gọi vụ điện thoại di động (MTSO) có vai trò điều khiển gọi hoạt động cổng để kết nối với mạng khác Khi người sử dụng di chuyển (ví dụ trạm di động sử dụng kênh tần số) tới gần biên tế bào, cần phải thay đổi kênh tần số thời sang tần số khác tế bào lân cận Quá trình gọi chuyển vùng Kiến trúc hệ 10 thống di động tiên tiến AMPS minh hoạ hình Mục tiêu AMPS cung cấp dịch vụ điện thoại di động có khả năng: (a) Dung lượng thuê bao lớn; (b) Sử dụng hiệu phổ; (c) Đảm bảo tính tương thích, tiện lợi, dễ thích ứng với mật độ lưu lượng cao; Hình 1.2: Kiến trúc mạng di động tế bào Để tạo khả trên, người ta sử dụng đặc trưng hệ thống tế bào việc tái sử dụng tần số phân chia tế bào Tái sử dụng tần số việc sử dụng tần số mang vùng khác mà khoảng cách vừa đủ để nhiễu việc sử dụng tần số mang gây không ảnh hưởng đến chất lượng liên lạc Phân chia tế bào việc cấu hình lại tế bào thành tế bào nhỏ Tái sử dụng tần số Phân phối kênh tần số mạng tế bào phụ thuộc vào nhiều tham số, chẳng hạn kiến trúc hình học tế bào, đặc tính truyền tín hiệu nhiễu tín hiệu Gán kênh tần số việc cấp phát tĩnh kênh tần số cho thuê bao tế bào Cùng tập hợp tần số sử dụng lại tế bào khác với khoảng cách đủ phép sử dụng kênh tần số với nhiễu tín hiệu gây chấp nhận Các tế bào mà sử dụng tập hợp kênh tần số gọi tế bào đồng kênh khoảng cách chúng gọi khoảng cách tái sử dụng đồng kênh Tổng số tần số mang cấp phát cho mạng phân chia thành tập hợp tập gán cho tế bào bên cụm tế bào Một cụm tế bào hình thành mẫu (pattern) Mẫu tái sử dụng tuỳ thuộc vào khoảng cách tái sử 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Scott Jordan, Resource Allocation in Wireless Networks, Department of Electrical Engineering & Computer Science, Northwestern University, 3/1999 [2] D C Cox and D O Reudink, Dynamic channel assignment in twodimensional large-scale mobile radio system, Bell System Technical Journal, 9/1972 [3] L G Anderson, A simulation study of some dynamic channel assignment algorithms in a high capacity mobile telecommunications system, IEEE Transactions on vehicular Technology, 10/1982 [4] S M Elnoubi, R Singh, and S C Gupta, A new frequency channel assignment algorithm in high capacity mobile telecommunications system, IEEE Transactions on vehicular Technology, 8/1982 [5] D Everitt and D Manfield, Performance analysis of cellular mobile communication systems with dynamic channel assignment, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 10/1989 [6] P A Raymond, Performance analysis of cellular Networks, IEEE Transactions on communications, 12/1991 [7] L Cimini, G Foschini, and C L I, Call blocking performance of distributed algorithms for dynamic channel allocation in microcells, In conference record of the International conference on Communications (ICC), IEEE, 1992 [8] D D Dimitrijevic and J Vucetic, Design and Performance analysis of the algorithms for channel allocation in cellular networks, IEEE Transactions on vehicular Technology, 11/1993 [Gar00] Vijay K Garg IS-95 CDMA and CDMA 2000, Cellular/PCS Systems Implementation [Ekl86] Berth Eklundl, Channel Utilisation and Blocking Probability in a Cellular Mobile Telephone System with Directed Retry, IEEE Transactions on Communications, 4/1986 12 [KE89] Johan Karlsson and Berth Eklundh, A Cellular Mobile Telephone System with load sharing – an enhancement of directed retry IEEE Transactions and Communications, 5/1989 [TJ91] Sirin Tekinay and Bijan Jabbari, Handover and Channel Assignment in Mobile Cellular Networks IEEE Communications Magazine, 11/1991 [ZY89] Ming Zhang and Tak Shing P Yum., Compasisons of channel Assignment Strategies in Cellular Mobile Telephone Systems, IEEE Transactions on vehicular Technology, 11/1989 [DSJ97] Sajal K.Das, Sanjoy K.Sen and Rajeev Jayaram, A dynamic load balancing strategy for channel assignment using selective borrowing in cellular mobile environment Wireless Networks, 1997 [DSJA97] K.Das, Sanjoy K.Sen and Rajeev Jayaram and Prathima Agrawal, A distributed Load balancing Algorithm for the hot cell problem in a cellular mobile networks 8/1997 [...]...11 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Scott Jordan, Resource Allocation in Wireless Networks, Department of Electrical Engineering & Computer Science, Northwestern University, 3/1999 [2] D C Cox and D O Reudink, Dynamic