Tối ưu vị trí đặt trạm relay trong mạng không dây băng rộng thế hệ mới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ HOÀN TỐI ƯU VỊ TRÍ ðẶT TRẠM CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: Xử lý thông tin & Truyền thông LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Xử lý thông tin & Truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGÔ HỒNG SƠN Hà Nội - 2010 i Lời cam ñoan Tôi cam ñoan ñây Luận văn nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa ñược công bố luận văn khác Các số liệu, quan ñiểm, quan niệm, phân tích, kết luận tài liệu tham khảo nhà nghiên cứu khác ñều ñược trích dẫn theo ñúng qui ñịnh Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Tác giả Lê Hoàn ii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam ñoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, ñồ thị MỞ ðẦU Chương TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG WIMAX VÀ CHUẨN RELAY 802.16J 1.1 Giới thiệu Wimax 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 ðặc ñiểm Wimax số chuẩn Wimax 1.1.3 Kiến trúc mạng Wimax 1.1.4 Kết luận 1.2 Chuẩn Wimax 802.16j 1.2.1 Chuẩn 802.16j 1.2.2 Một số vấn ñề với chuẩn 802.16j Chương MÔ HÌNH TỐI ƯU VỊ TRÍ ðẶT CÁC TRẠM CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG KHÔNG DÂY BĂNG RỘNG THẾ HỆ MỚI 2.1 ðặt vấn ñề 2.2 Mô tả vấn ñề 2.3 Mô hình hóa toán ñặt vị trí trạm chuyển tiếp 2.3.1 Mô hình cooperative relay…………………………………… 2.3.2 Mô hình toán tối ưu vị trí ñặt trạm chuyển tiếp Chương CÀI ðẶT THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH GIẢI BÀI TOÁN ðẶT VỊ TRÍ TRẠM CHUYỂN TIẾP 3.1 Bài toán qui hoạch tuyến tính MILP cho vấn ñề ñặt vị trí trạm chuyển tiếp ….… 3.1.1 Bài toán qui hoạch tuyến tính 3.1.2 Bài toán MILP cho vấn ñề ñặt vị trí trạm chuyển tiếp 3.1.3 Giải pháp tối ưu toán ñặt vị trí trạm chuyển tiếp 3.1.4 Giới hạn dung lượng C giải pháp cho cấu hình mạng 3.2 Cài ñặt CPLEX iii Trang i ii iii v vii viii 4 11 19 20 21 27 29 29 30 32 33 37 40 40 40 41 42 42 43 3.3 Thiết kế chương trình-thử nghiệm giải toán ñặt vị trí trạm chuyển tiếp sử dụng công cụ CPLEX 3.4 Nghiên cứu thuật giải Heuristic giải toán ñặt vị trí trạm chuyển tiếp Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 4.1 Kết nghiên cứu thử nghiệm CPLEX 4.2 Kết nghiên cứu thử nghiệm thuật giải Heuristic 4.3 So sánh ñánh giá KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO iv 45 48 52 52 57 58 60 62 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt AAS A-F ARQ ATM BPSK BS BTS BWA CID CP CPE CPS CRC CS CTC D-F Ethernet FDD FEC FFT FRS ID IEEE LAN LOS LTE MAC MAN MESH MILP Adaptive Antenna System-Hệ thống anten thích ứng Amplify and Forward-Khuyếch ñại chuyển tiếp Automatic Repeat Request-Yêu cầu lặp lại tự ñộng Asynchronous Transfer Mode-Phương thức chuyển tải không ñồng Binary Phase Shift Keying-Khóa dịch pha nhị phân Base Station-Trạm gốc Base Transceiver Station-Trạm thu phát gốc Broadband Wireless Access-Truy cập không dây băng rộng Connection IDentifier-Nhận dạng kết nối Candidate Position-Vị trí thích hợp Customer Premises Equipment-Thiết bị truy cập từ khách hàng Common Part Sublayer-Lớp phần chung Cyclic Redundancy Check-Kiểm tra ñộ dư vòng tuần hoàn Convergence Sublayer-Lớp hội tụ Concatenated Turbo Code-Mã Turbo xoắn Decode and Forward-Giải mã chuyển tiếp Chuẩn IEEE 802.3 Frequency Division Duplexing-Ghép kênh phân chia theo tần số Forward Error Correct-Hiệu chỉnh lỗi trước Fast Fourier Transform-Biến ñổi Fourier nhanh Fixed RS-RS cố ñịnh IDentifier-ðịnh danh Institute of Electrical and Electronic Engineers Local Area Networks-Mạng cục Line Of Sight-ðường truyền tầm nhìn thẳng Long Term Evolution Media Access Control-ðiều khiển truy nhập ña phương tiện Metropolitan Area Networks-Mạng vùng thành thị Mạng mắt lưới Bài toán tối ưu ñặt vị trí RS tuyến tính v QHTT Multiple Input Multiple Output-Nhiều ñầu vào nhiều ñầu Bài toán tối ưu ñặt vị trí RS phi tuyến Mobile Multihop Relay Multihop Relay-Relay ña bước nhảy Mobile Station-Trạm di ñộng None Line Of Sight-ðường truyền che khuất Nomadic RS-RS lưu ñộng hay di trú Orthogonal Frequency Division Multiplexing-Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Orthogonal Frequency Division Multiple Access-ða truy nhập phân chia theo tần số trực giao Open Systems Interconnection-Hệ thống kết nối mở Protocol Data Unit-ðơn vị liệu giao thức Physical-Lớp vật lý Privacy Key Management-Giao thức quản lý khóa Point-Multi Point-ðiểm-ña ñiểm Quadrature Amplitude Modulation- ðiều chế biên ñộ cầu phương Qui hoạch tuyến tính QPSK Quadrature Phase Shift Keying- Khóa chuyển pha cầu phương Relay RS SAP SDU Chuyển tiếp Relay Station-Trạm Relay-Trạm chuyển tiếp Service Access Point-ðiểm truy nhập dịch vụ Service Data Unit-ðơn vị dịch vụ liệu Signal to Interference plus Noise Ratio-Tỷ số tín hiệu nhiễu cộng tạp âm Signal to Noise Ratio-Tỷ số tín hiệu tạp âm Scalable OFDMA-OFDMA tỷ lệ Subscriber Station-Trạm thuê bao Time Division Duplexing-Ghép kênh phân chia theo thời gian Worldwide Interoperability for Microwave Access-Khả khai thác liên mạng toàn cầu với truy cập vi ba Wireless Local Area Networks-Mạng LAN không dây Wireless Metropolitan Area Networks-Mạng MAN không dây MIMO MINLP MMR MR MS NLOS NRS OFDM OFDMA OSI PDU PHY PKM PMP QAM SINR SNR SOFDMA SS TDD Wimax WLAN WMAN vi Danh mục bảng Bảng 1: Tóm tắt ñặc ñiểm Fixed Wimax Mobile Wimax Bảng 2: Các ký hiệu toán ñặt vị trí Bảng 3: Minh họa bốn kịch CPLEX Bảng 4: Kết so sánh minh họa kịch Bảng 5: Tốc ñộ rmn max cho SS kịch với CP tương ứng Bảng 6: Kết so sánh minh họa kịch thuật giải heuristic vii Trang 39 54 54 56 57 Danh mục hình vẽ ñồ thị Trang Hình 1: Cấu trúc phân lớp Wimax Hình 2: Các chuẩn Wimax Hình 3: Mô hình Wimax 11 Hình 4: Cấu hình ñiểm-ña ñiểm 13 Hình 5: Cấu hình mắt lưới MESH 14 Hình 6: Mô hình tham chiếu 802.16 16 Hình 7: Ví dụ trạm relay cell .20 Hình 8: Chuẩn 802.16j sử dụng RS 21 Hình 9: Topology mạng 802.16j relay 23 Hình 10: Mô hình kết nối BS-RS-SS-UT .24 Hình 11: Mô hình triển khai RS cho hạ tầng cố ñịnh 24 Hình 12: Mô hình phủ sóng tòa nhà 25 Hình 13: Mô hình phủ sóng tạm thời .26 Hình 14: Mô hình phủ sóng số thiết bị di ñộng 27 Hình 15: Mô hình relay cooperation .30 Hình 16: Mô hình kênh truyền qua relay nút BC/MAC 33 Hình 17: Kiến trúc mạng 802.16j dựa relay 34 Hình 18: Mô hình kênh truyền relay node 35 Hình 19: So sánh tốc ñộ cho nút ñích chế ñộ truyền trực tiếp cooperative relay sử dụng RS Hình 20: Vị trí ñặt trạm RS tỷ lệ tốc ñộ truyền qua relay truyền trực tiếp 52 53 Hình 21: Số lượng RS dung lượng C kịch I CPLEX 55 Hình 22: Số lượng RS dung lượng C theo thuật giải Heuristic .57 Hình 23: Tìm kiếm nhóm CPm phù hợp cho SSn 58 viii Tối ưu vị trí ñặt trạm chuyển tiếp mạng không dây băng rộng hệ MỞ ðẦU Giới thiệu Wimax công nghệ không dây băng rộng ñang ñược nghiên cứu, thử nghiệm triển khai giới Việt Nam Cùng với công nghệ LTE (Long Term Evolution), công nghệ băng rộng dựa tảng IP nhận ñược nhiều quan tâm, ñây hai ứng viên cho mạng không dây hệ mới, hứa hẹn tạo nên giới không dây băng rộng tốc ñộ cao phủ khắp nơi Với kết hợp hai xu hướng lĩnh vực công nghệ mạng viễn thông ñại xu hướng băng rộng xu hướng không dây, Wimax cung cấp khả truy cập Internet băng thông rộng tốc ñộ cao qua liên kết không dây Với nhiều ưu ñiểm tốc ñộ truyền dẫn cao, phạm vi phủ sóng rộng… Wimax ñược xem giải pháp hiệu cho việc kết nối không dây băng rộng cho người dùng gia ñình, khu tập thể, tòa nhà cao tầng tạo ñiểm truy cập nóng (hotspot) ñể kết nối không dây nơi công cộng sân bay, nhà ga, trường học ñịa ñiểm cộng ñồng khác Mục tiêu phạm vi nghiên cứu Cũng số công nghệ mạng không dây khác, ứng dụng Wimax có nhiều vấn ñề phải giải quyết, ñó có vấn ñề mở rộng phạm vi phủ sóng cách ñặt trạm chuyển tiếp (Relay Station - RS) Việc nghiên cứu vấn ñề ñặt trạm chuyển tiếp mạng không dây băng rộng hệ giải pháp mang tính cạnh tranh ñể nâng cao dung lượng hệ thống mở rộng vùng phủ sóng, giải pháp áp dụng ñể nâng cao hiệu mạng Với mong muốn tìm hiểu Wimax ñể bước ñầu có nghiên cứu toán ñặt vị trí trạm chuyển tiếp phạm vi công nghệ này, nghiên cứu ñề tài: “Tối ưu vị trí ñặt trạm chuyển tiếp mạng không dây băng rộng hệ mới” Lê Hoàn - Lớp cao học Xử lý thông tin Truyền thông 2008-2010 Tối ưu vị trí ñặt trạm chuyển tiếp mạng không dây băng rộng hệ Trong khuôn khổ luận văn, phạm vi nghiên cứu tập trung vào toán tối ưu vị trí ñặt trạm chuyển tiếp mạng không dây băng rộng Wimax dựa chuẩn relay 802.16j ñể nâng cao dung lượng hệ thống mở rộng vùng phủ sóng mạng Bài toán có nhiều tham số ảnh hưởng ñến trình giải quyết, nhiên phạm vi luận văn này, tập trung vào dạng phát biểu sau: Cho vị trí nhu cầu lưu lượng trạm thuê bao, biết trước vị trí hữu hạn vị trí tiềm (thích hợp) cho việc triển khai trạm chuyển tiếp, tổng số băng thông phân phối cho cell, công suất truyền tải trạm sở trạm chuyển tiếp, toán ñặt tối ña hóa dung lượng cell cách triển khai tập hợp số lượng cố ñịnh trạm chuyển tiếp vị trí tiềm ñể phân phối băng thông thỏa mãn yêu cầu trạm thuê bao ñó Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu phương pháp mô hình hóa vấn ñề dạng toán qui hoạch tuyến tính (Linear Programming) Sau ñó sử dụng công cụ CPLEX IBM ñể giải quyết, kết hợp với nghiên cứu thử nghiệm thuật giải heuristic cho toán ñặt Cụ thể, ñể giải toán tối ưu trên, nghiên cứu tìm hiểu mô hình hóa vấn ñề vị trí ñặt trạm chuyển tiếp, cài ñặt thiết kế chương trình, thử nghiệm giải vấn ñề công cụ CPLEX thử nghiệm thuật giải heuristic ñể giải vấn ñề thời gian tính toán sử dụng công cụ tối ưu Tóm tắt kết Tìm hiểu khái quát Wimax chuẩn Relay Wimax 802.16j Tìm hiểu phương pháp giải vấn ñề toán ñặt vị trí trạm chuyển tiếp mạng không dây băng rộng Wimax dựa chuẩn 802.16j [2,3,16,17] Trên sở tìm hiểu khảo sát phương pháp ñó, ñã thử nghiệm áp dụng mô hình hóa vấn ñề tối ưu vị trí ñặt trạm chuyển tiếp, cài ñặt Lê Hoàn - Lớp cao học Xử lý thông tin Truyền thông 2008-2010 Tối ưu vị trí ñặt trạm chuyển tiếp mạng không dây băng rộng hệ Q1 = arg m ax rm1 ∀ m∈ N CP ñược lưu trữ tập RS (tức là, tập CP ñược chọn) gọi NRS Sau ñó với Q1 có ñược, sử dụng QmapA ñể xác ñịnh giá trị ma trận A với aQ1,1 = Quá trình tự lặp lại cho SS Dừng lặp số lượng phần tử NRS K ðối với SS lại Є NSS, từ dòng 15-18, sử dụng BestCP ñể lựa chọn CP tốt NRS (zm=1) mà có rmj max QmapA cho aQj,j = (j=K-N) Các ràng buộc (7), (9), (11) (12) MILP ñược bảo ñảm hợp lệ bước ðến ñây, ñã thu ñược giải pháp NRS A Tiếp theo, dòng 19, sử dụng CPLEX ñể tính toán giá trị tối ưu W C (với NRS A ñã biết) giải qui hoạch tuyến tính (28) cho dung lượng cell C cực ñại Qui hoạch tuyến tính (28) ñược xác ñịnh sau: M (QHTT28) maximize C = N ∑∑a m=1 n=1 mn wnrmn (28) Trong ñó: M ∑a m=1 mn wnrmn ≥ ρn ∀n (29) M ∑w m =1 n ≤ BW (30) Thuật giải heuristic: ðầu vào: M,N,K,NCP,P,PBS,PRS,BW,α, N0; ðầu ra: C,NRS,A,W,Z; Begin NRS=Ф; A=zero([M,N]); n=1; CUB ← Capacity_Estimation;// xác ñịnh giới hạn C theo công thức 26 If CUB < Σρn then Return display (“No solution exist for current network configuration!”); end Else Lê Hoàn - Lớp cao học Xử lý thông tin Truyền thông 2008-2010 49 Tối ưu vị trí ñặt trạm chuyển tiếp mạng không dây băng rộng hệ Sort(P,’desc’); Reorder(NSS); While |NRS|