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

I H C QU C GIA HÀ N I TR NG I H C CỌNG NGH GIÁP TH H NG NGHIÊN C U, ÁNH GIÁ HI U SU T M TS THU T TOÁN QU N TR TĨI NGUYÊN TRONG M NG KHỌNG DÂY Ngành: Công ngh thông tin Mã s : 1.01.10 LU N V N TH C S Ng ih ng d n khoa h c: PGS.TS V Duy L i Hà N i - 2007 M cl c DANH M C T VI T T T Error! Bookmark not defined DANH M C HỊNH V M CH U NG ậ T NG QUAN V M NG DI NG T BĨO 1.1 L ch s phát tri n c a m ng di đ ng 1.2 Ki n trúc m ng di đ ng t bƠo 1.3 V n đ gán kênh Error! Bookmark not defined 1.3.1 Các chi n l c gán kênh Error! Bookmark not defined 1.3.2 Tiêu chí đánh giá chi n l c gán kênhError! Bookmark not defined CH NG - CHI N L C M N KÊNH Cị CH N L C TRÊN C S CÂN B NG T I NG Error! Bookmark not defined 2.1 Mô hình m ng vƠ đ nh ngh a Error! Bookmark not defined 2.1.1 L c đ phân ph i c đ nh s d ng mô hình m uError! Bookmark not defined 2.1.2 Chi n l 2.1.3 L c thuê kênh Error! Bookmark not defined c đ phân ph i t n s có cân b ng t iError! Bookmark not defined 2.2 Ki n trúc b ng t i Error! Bookmark not defined 2.2.1 Phân l p t bào Error! Bookmark not defined 2.2.2 Phân l p thuê bao bên m t t bàoError! Bookmark not defined 2.3 Nguyên t c m 2.3.1 Chi n l n kênh có ch n l c (LBSB)Error! Bookmark not defined c thuê kênh Error! Bookmark not defined 2.3.2 Nguyên t c c a chi n l 2.3.3 Chi n l cm n kênhError! Bookmark not defined c gán kênh Error! Bookmark not defined 2.3.3.1 Phân l p yêu c u kênh Error! Bookmark not defined 2.3.3.2 Thu t toán gán kênh Error! Bookmark not defined 2.4 ánh giá hi u su t ho t đ ng c a chi n l cm n kênhError! Bookmark not defined 2.4.1 Mô hình Markov Error! Bookmark not defined 2.4.2 Tính toán thông s h Error! Bookmark not defined 2.4.3 K t qu th c nghi m Error! Bookmark not defined CH 3.1 3.2 Ph NG - CHI N L C GÁN KÊNH NGError! Bookmark not defined t v n đ Error! Bookmark not defined ng th c trao đ i thông tin di đ ng Error! Bookmark not defined 3.2.1 C u trúc d li u Error! Bookmark not defined 3 3.2.2 Ki u thông p hàm h th ng Error! Bookmark not defined 3.2.3 Các th t c hàm c b n Error! Bookmark not defined 3.3 Thu t toán gán kênh thích nghi Error! Bookmark not defined 3.3.1 Mô t thu t toán Error! Bookmark not defined 3.3.2 Tính đ n c a thu t toán Error! Bookmark not defined 3.3.3 Hi u su t c a thu t toán Error! Bookmark not defined K T LU N Error! Bookmark not defined TĨI LI U THAM KH O 11 M U Ngày nay, d ch v không dây m t nh ng l nh v c truy n thông phát tri n m nh m nh t Trên th gi i c ng nh t i Vi t Nam, s l ng thi t b không dây s d ng khai thác ngu n tài nguyên m ng t ng lên nhanh chóng v s l ng, nh v y, đ ng hành v i s l ng, nhà nghiên c u tìm thu t toán, gi i pháp t i u đ s d ng ngu n tài nguyên m ng hi u qu nh t Các l c đ phân ph i kênh đ ng thu hút s quan tâm đ c bi t c a nhà nghiên c u, ví d nh ph ng pháp đ khai thác hi u qu nh t ngu n tài nguyên s n có m ng không dây S k t h p r ng rãi c a thành ph n nh : nhi m v kênh c đ nh, m n kênh, chia s kênh, u hành kênh, phân b l i nhi m v c a kênh, u ch nh đ ng tham s yêu c u Các sách phân ph i kênh đ ng giúp m r ng khái ni m nêu đ i v i d ch v tích h p h th ng không dây t ng lai Nghiên c u v n đ v phân ph i ngu n tài nguyên t i u m ng không dây, có nh ng tài nguyên quý giá (b ng thông) ph i đ c s d ng hi u qu nh t chia s công b ng gi a nh ng ng i s d ng So v i m ng có dây truy n th ng, nh ng tính ch t đ c tr ng c a m ng không dây đ t cho nhi u th thách m i, ng n ch n ng d ng l p c a ph ng pháp phân ph i ngu n tài nguyên s n có Nghiên c u s phân lo i l vi lu n v n tr l i câu h i: c đ phân ph i kênh đ ng ph m o Khi có th ch p nh n m t tín hi u truy nh p? o Kênh có nhi m v ti p nh n tín hi u truy nh p? o Khi làm cách đ phân l i nhi m v cho kênh m i đ i v i tín hi u truy nh p t n t i? Lu n v n chia làm ba ph n t ng ng v i ba ch ng:  Ch ng 1- T ng quan v M ng di đ ng t bào: Ch ng trình bày l ch s phát tri n, gi i thi u m t s h th ng m ng di đ ng đ c ng d ng th gi i Các khái ni m c b n v m ng di đ ng t bào, quan tr ng nh t khái ni m tái s d ng t n s , gi i thi u m t s chi n l c c p phát kênh tiêu chí đánh giá hi u su t c a chi n l c c p phát  Ch ng - Chi n l c m n kênh có ch n l c c s cân b ng t i đ ng: Ch ng trình bày k thu t cân b ng t i đ n gi n môi tr ng t bào di đ ng đ gi i quy t toán l u l ng t i t i m nóng M c tiêu quan tr ng mà ta c n đ t đ c làm gi m b t nhu c u kênh t i t bào nóng b ng cách thuê kênh t t bào l nh thích h p có s phân ph i h p lý c a kênh ho t đ ng gi a m t s l ng thuê bao kh ng l L c đ phân ph i kênh c đ nh thu n l i đ kh i đ u, thu t toán cân b ng t i ch y đ nh k ho c theo yêu c u ph c thu c vào tính toán t i h th ng M t mô hình chu i Markov cho m t t bào h th ng gi i pháp đ đánh giá ng ng nh m xác đ nh t bào nóng hay l nh Các ví d mô ph ng đ đánh giá hi u qu chi n l c cho th y l c đ gán kênh làm gi m đáng k s l ng cu c g i b khoá h th ng t i v i m t l ng l n t bào nóng  Ch ng - Chi n l c gán kênh đ ng Các l c đ c p phát kênh đ ng h tr t t h n d i u ki n l u l ng t i dù th i gian thu nh n kênh l n h n ph i b sung thông p u n Ch ng trình bày m t l c đ gán kênh v i tr m chuy n m ch làm cân b ng l u l ng mà không ph thu c vào tr m khác vùng giao thoa, m c tiêu làm gi m thi u t l cu c g i b r t, t i m t th i m trì th i gian thu kênh trung bình đ ph c t p thông p nh nh t Ngoài ba ch ng chính, b c c lu n v n có ph n M đ u, K t lu n Tài li u tham kh o Ph n k t lu n nêu tóm t t v n đ trình bày ch ng, đánh giá k t qu đ t đ c ch a đ t đ c, đ ng th i đ a đ nh h ng nghiên c u, phát tri n ti p theo M c dù r t c g ng, song khuôn kh th i gian có h n nên lu n v n nh ng h n ch nh t đ nh, tác gi r t mong nh n đ c nh ng góp ý đ v n đ nghiên c u ngày đ c hoàn thi n h n 6 CH NG ậ T NG QUAN V M NG DI NG T BĨO 1.1 L ch s phát tri n c a m ng di đ ng N m 1974, FCC c p m t d i b ng 40 MHz d i t n 800-900 MHz cho l nh v c truy n thông t bào Chu n AMPS (Advance Mobile Phone Systems) c ng đ c gi i thi u vào n m 1979 đ c FCC công nh n, l nh v c ho t đ ng chia làm d i: d i A d i B Truy n thông t bào song công b ng t n chia làm đ ng truy n: 25MHz đ c c p cho đ ng đ nh h ng ho c đ ng downlink, đ ng truy n t máy phát tín hi u ban đ u t i tr m thu tín hi u đ u cu i ng truy n th hai ch y u đ ng uplink ho c đ ng đ i chi u theo chi u ng c l i v i đ ng th nh t Hai đ ng truy n chia d i b ng an toàn 45MHz đ tránh hi n t ng giao thoa gi a kênh phát thu Hình 1.1 mô t gi i h n d i ph AMPS qu n lý Hình 1.1: Phân b d i t bào M i d i A B chi m gi 12.5MHz, 10MHz ph không m r ng (NES) 2.5MHz ph m r ng ES M i d i 12.5MHz đ c chia thành kênh 30kHz, t o thành t ng s 416 kênh/d i 21 kênh s đ c s d ng cho th t c riêng nh là: phân ph i kênh, xác đ nh v trí, g i thông p,ầ chúng đ c g i kênh u n Các kênh l i đ c dùng đ giao ti p g i kênh h i tho i Trong AMPS, m i kênh t n t ng đ ng v i m t sóng mang t n s (sóng t n) m i tr m di đ ng đ c phân ph i m t kênh Do đó, AMPS ch FDMA (truy nh p đa t n) h th ng t bào t ng t H th ng t bào đ c s d ng ph bi n Châu TACS (H th ng vi n thông truy nh p t ng) NMT (hãng n tho i di đ ng Nordic) TACS đ c gi i thi u Anh vàp n m 1982, h th ng ho t đ ng v i d i 900MHz, m i đ ng truy n có d i b ng 25MHz b ng thông kênh 25KHz T i R p, Tây Ban Nha xây d ng h th ng NMT ho t đ ng v i d i 450MHz 900MHz, t ng b ng thông 10MHz v i b ng thông kênh 25KHz 200 kênh C h th ng đ u có kh n ng chuy n giao roaming Tuy nhiên, m ng t bào qu c gia không t ng thích v i m i qu c gia đ c phân ph i d i t n khác Trong t ng lai, h n ch c a d ch v m ng t bào s đ c kh c ph c ph i xây d ng đ c m t h th ng m ng t bào đa qu c gia T i Nh t, t p đoàn NTT phát tri n h th ng d i 800MHz t ng t nh AMPS Tokyo xây d ng đ c h th ng n tho i di đ ng đ u tiên vào n m 1979 N m 1985, h th ng ho t đ ng d i 30MHz v i 600 kênh b ng thông kênh 25kHz H th ng vi n thông di đ ng th h th 2, h th ng t bào s phát tri n m nh m vào nh ng n m 1990 T i B c M , chu n m đ c gi i thi u cho h th ng t bào s có s d ng m t d i t n nh AMPS Nh ng chu n đ c tích h p thêm k thu t đa truy nh p t o thành FDMA NA-TDMA ho c D-AMPS chu n IS-54 đ c tích h p k thu t TDMA, s d ng b chia th i gian có th chia s cho thuê bao di đ ng (th c t ch có thuê bao) N m 1994, chu n IS-95 gi i thi u k thu t CDMA K thu t d a s u bi n tr i ph cho phép nhi u thuê bao có th truy nh p t i m t d i b ng M i thuê bao di đ ng đ c phân ph i m t mã tr c giao nh t g i mã Walsh D i b ng 12.5MHz đ c chia thành 10 d i b ng CDMA, m i d i 1.25MHz M i d i CDMA h tr 64 mã Walsh M i d i CDMA có th cung c p g p l n so v i kh n ng c a h th ng t ng t [Gar00] T i Châu Âu, h th ng vi n thông di đ ng toàn c u GSM, chu n h th ng n tho i di đ ng s Pan-European Vi n tiêu chu n vi n thông Châu Âu (ETSI) xác l p, đ c gi i thi u vào n m 1982 ây m t h th ng TDMA ho t đ ng d i 890 - 915 MHz v i đ ng uplink 935 960 MHz v i đ ng downlink B ng thông t n s sóng mang 200MHz có th chia s cho thuê bao di đ ng có s d ng b chia th i gian 8 H th ng t bào s cá nhân (PDC: Personal Digital Cellular) m t chu n h th ng t bào s c a Nh t, h th ng TDMA ho t đ ng d i 800MHz 1.5GHz Nhìn chung, h th ng PDC r t gi ng v i h th ng NATDMA, thuê bao di đ ng có th chia s m t t n s sóng mang V i gi i h n d i 800MHz, b ng thông c a đ ng uplink n m gi a 810 826MHz đ ng downlink n m gi a 940 – 956MHz Thành công c a công ngh t bào th h th giá thành gi m r t nhi u, d n đ n s bão hoà v kh n ng d ch v Không ch h th ng t bào phát tri n mà khách hàng đ c s d ng d ch v thu phát đa ng d ng, h tr âm thanh, d li u đa ph ng ti n h tr cho nhu c u cá nhân c a thuê bao di đ ng, h th ng v tinh b t đ u kh i đ ng N m 1989, m ng vi n thông cá nhân (PCN: Personal Communication Network) đ a vào ho t đ ng d i 1.8GHz PCN phiên b n c a GSM, DCS-1800 (Digital Cellular System 1800) ngày g i GSM-1800 N m 1991, FCC cung c p 120MHz quang ph , chia thành d i b ng g i d ch v vi n thông cá nhân b ng r ng (PCS) v i d i b ng 1.85GHz d ch v vi n thông cá nhân b ng h p v i d i b ng 900MHz S phát tri n m nh m c a h th ng vi n thông di đ ng ph c v c ng đ ng th ng m i thúc đ y nhanh vi c tích h p m ng di đ ng c đ nh Ngày nay, m ng di đ ng hoàn toàn có kh n ng đáp ng d ch v đa d ng c v ch t l ng b o m t H th ng di đ ng ph i có tính m m d o đ tích h p lo i h th ng vi n thông khác s d ng hi n nh h th ng t bào chung riêng, h th ng sóng vô n v tinh Nh ng yêu c u v t kh n ng công ngh c a h th ng vi n thông di đ ng th h th Nh ng đòi h i công ngh thành ph n, qu n tr m ng k thu t d ch v làm cho s đ i c a h th ng vi n thông di đ ng th h th t t y u M c đích c a h th ng cung c p d ch v vi n thông t b t k thuê bao t i b t k thuê bao khác, t i b t k đ a m nào, vào b t k th i m nào, qua b t k môi tr ng nào, b ng cách s d ng thi t b đ u cu i g n nh v i ch t l ng d ch v đ m b o b o m t an toàn Hai h th ng đ c phát tri n là: UMTS FPLMTS, đ c g i chung h th ng vi n thông di đ ng toàn c u, ho t đ ng v i d i b ng 2000 MHz (IMT-2000: International Mobile Telecommunications) S phát tri n v t tr i c a h th ng s b phóng su t th p k đ u c a nh ng n m 2000 UMTS s xu t hi n cu c s ng c a nh nhà, c quan, ôtô, tàu ho , máy bay hay b UMTS tích h p t t c d ch v m t d ch v b i h th ng vi n thông di đ ng khác nhau, ví d nh : n tho i di đ ng, n tho i không dây, vô n công c ng, vô n v tinh,ầ Nó cho phép ng i s d ng di chuy n su t trình k t n i gi a m ng vi n thông khác UMTS cung c p d ch v b ng r ng, t c kh n ng truy n âm thanh, v n b n, d li u hình nh qua m t k t n i FPLMTS bao g m tính n ng nh UMTS, nhiên có kh n ng phân b t n s đ u toàn c u FPLMTS đ nh rõ ranh gi i không gian nh m phân chia nhu c u khác c a vùng dân c đông đúc ho c th a th t M t nh ng yêu c u c a UMTS/FPLMTS ph i có hi u su t quang ph cao, đ đ t đ c yêu c u c n ph i có c ch qu n lý t n s linh ho t, m m d o đ i v i ngu n tài nguyên vô n Qu n lý t n s hi n v n đ tài nóng h i t cách 20 n m gi i pháp đ xu t cho đ n v n đ c nghiên c u, c i ti n đ h th ng vi n thông đ t hi u su t cao nh t 1.2 Ki n trúc m ng di đ ng t bƠo Khái ni m t bào xu t phát t h th ng c a Bell n m d ch v n tho i di đ ng tiên ti n, m t ki n trúc m ng đ c t h p t t bào hình l c l ng Các t bào đ i di n cho vùng đ a lý Bên t bào, ng i s d ng đ c g i tr m di đ ng có kh n ng thi t l p ho c nh n cu c liên l c di chuy n bên m ng t bào M i t bào có m t tr m u n cung c p kênh t n s cho tr m di đ ng M i tr m u n d ch v n tho i di đ ng tiên ti n (AMPS) coi m t t bào M i t bào đ c liên k t v i trung tâm chuy n m ch di đ ng (MSC) đ c g i c v n tho i di đ ng (MTSO) có vai trò u n cu c g i ho t đ ng nh m t c ng đ k t n i v i m ng khác Khi ng i s d ng di chuy n (ví d tr m di đ ng s d ng m t kênh t n s ) t i g n biên c a t bào, c n ph i thay đ i kênh t n s hi n th i sang t n s khác c a t bào lân c n Quá trình g i chuy n vùng Ki n trúc c a h 10 th ng di đ ng tiên ti n AMPS đ c minh ho nh hình M c tiêu c a AMPS cung c p d ch v n tho i di đ ng có kh n ng: (a) Dung l ng thuê bao l n; (b) S d ng hi u qu ph ; (c) m b o tính t ng thích, ti n l i, d thích ng v i m t đ l u l ng cao; Hình 1.2: Ki n trúc m ng di đ ng t bào có th t o kh n ng trên, ng i ta s d ng đ c tr ng c a h th ng t bào vi c tái s d ng t n s phân chia t bào Tái s d ng t n s vi c s d khác mà kho ng cách v a đ đ mang gây không nh h ng đ n ch vi c c u hình l i m t t bào thành t ng t n s mang nh ng vùng nhi u vi c s d ng t n s t l ng liên l c Phân chia t bào bào nh h n Tái s d ng t n s Phân ph i kênh t n s m ng t bào ph thu c vào r t nhi u tham s , ch ng h n nh ki n trúc hình h c c a t bào, đ c tính truy n tín hi u nhi u tín hi u Gán kênh t n s vi c c p phát t nh kênh t n s cho thuê bao t bào Cùng t p h p t n s đ c s d ng l i t bào khác v i kho ng cách đ đ cho phép s d ng kênh t n s v i nhi u tín hi u gây ch p nh n đ c Các t bào mà s d ng t p h p kênh t n s đ c g i t bào đ ng kênh kho ng cách gi a chúng g i kho ng cách tái s d ng đ ng kênh T ng s t n s mang c p phát cho m ng đ c phân chia thành t p h p m i t p đ c gán cho m t t bào bên m t c m t bào M t c m t bào hình thành m t m u (pattern) M u đ c tái s d ng tu thu c vào kho ng cách tái s 11 TĨI LI U THAM KH O [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 ... ni m nêu đ i v i d ch v tích h p h th ng không dây t ng lai Nghiên c u v n đ v phân ph i ngu n tài nguyên t i u m ng không dây, có nh ng tài nguyên quý giá (b ng thông) ph i đ c s d ng hi u qu... thi t b không dây s d ng khai thác ngu n tài nguyên m ng t ng lên nhanh chóng v s l ng, nh v y, đ ng hành v i s l ng, nhà nghiên c u tìm thu t toán, gi i pháp t i u đ s d ng ngu n tài nguyên m... So v i m ng có dây truy n th ng, nh ng tính ch t đ c tr ng c a m ng không dây đ t cho nhi u th thách m i, ng n ch n ng d ng l p c a ph ng pháp phân ph i ngu n tài nguyên s n có Nghiên c u s phân