Phân tích hiệu năng của chuyển giao trong mạng các Femtocell bằng mô hình MCPFQN

Bài báo đã thể hiện được các đóng góp chính như sau: Xây dựng được các mô hình hàng đợi trong mạng Femtocell với các loại cuộc gọi khác nhau, các chế độ làm việc khác nhau cho mỗi[r]

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG CÁC FEMTOCELL BẰNG MƠ HÌNH MCPFQN

Đỗ Phương Nhung1*, Dư Đình Viên2, Hồ Khánh Lâm3

Tóm tắt: Chuyển giao mạng thơng tin di động hệ từ 4G một hoạt động quan trọng đảm bảo bảo chất lượng dịch vụ yêu cầu băng thông tốc độ cao Tính khơng đồng nhiều cơng nghệ mạng truyền thơng chồng lấn địi hỏi chế chuyển giao cho thiết bị đầu cuối di động với tốc độ cao phải thực gọi liền mạch dịch vụ Bài báo đề xuất giải pháp phân tích chuyển giao sử dụng mạng hàng đợi đóng nhiều lớp (MCPFQN) với kịch khác số lượng gọi đến so với dung lượng kênh chế độ mạng hàng đợi khác nhau: FCFS-PS FCFS Kết cho thấy hiệu hệ thống sử dụng FCFS-PS cao so với sử dụng FCFS tất nút sử dụng chế độ hàng đợi FCFS, hiệu năng tốt kịch M/M/30/30 kịch M/M/30/15

Từ khóa: Phân tích hiệu năng, Chuyển giao, Mạng Femtocell, Mạng hàng đợi đóng (MCPFQN)

1 MỞ ĐẦU

Chuyển giao q trình giao dịch liệu gọi hành chuyển từ giao tiếp đến giao tiếp khác mà không để ý tới yếu tố đầu cuối di động Các giao tiếp liên kết qua mạng lõi MIPv6 Các chế chuyển giao mạng di động 4G kéo theo giải vấn đề như: chuyển đổi địa IP, cường độ tín hiệu thu, trễ chuyển giao, loại dịch vụ sử dụng, chi phí truyền thơng, v.v… Khi tần xuất chuyển giao tăng lên tải tăng (tăng gói điều khiển), gói trễ chuyển giao tăng Chuyển giao gồm giai đoạn [1]: phát mạng, định chuyển giao thực chuyển giao Để giúp cho việc đưa định hiệu quả, tiến hành nghiên cứu đánh giá lưu lượng tế bào mục tiêu Mơ hình mạng Femtocell đề xuất để hỗ trợ việc truyền thông không dây hiệu cao, tác giả đánh giá mức ngưỡng cường độ tín hiệu thu để thực cân tải trạm BSS Femtocell [2] Việc sử dụng mơ hình Markov Chain để khảo sát, phân tích mạng có nhiều kết tốt, [3], tác giả đề xuất mơ hình khảo sát phổ sử dụng lượng hiệu Trong [4], tác giả thiết kế mơ hình mơ dùng Markov ẩn với mơ hình đa trạng thái để tính tốn Các cơng bố nêu với nghiên cứu thấy rằng, việc sử dụng mạng hàng đợi để giải tốn truyền thơng phù hợp Đối tượng lý thuyết hàng đợi mơ tả sau: trung tâm dịch vụ số lượng khách hàng đến trung tâm để sử dụng dịch vụ, thực tế, thời điểm, trung tâm dịch vụ phục vụ số giới hạn khách hàng Khi có thêm khách hàng đến trung tâm trung tâm đáp ứng được, vậy, khách hàng phải hàng đợi chờ đợi trung tâm dịch vụ có chỗ trống để phục vụ

ra tế bào đáp ứng nhu cầu người dùng, phục vụ việc chọn mạng mục tiêu để chuyển giao cách hiệu Bài báo có cấu trúc sau: mục II mơ tả mơ hình hệ thống đề xuất để khảo sát hành vi thực gọi chuyển giao cấp Macrocell khác phân tích theo lý thuyết Markov mơ hình hệ thống nói trên; Mục III trình bày trình bày việc mô hệ thống dùng phần mềm MVA phân tích kết đạt được; Mục IV kết luận nêu lên đóng góp báo

2 SỬ DỤNG MẠNG HÀNG ĐỢI NHIỀU LỚP PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CHUYỂN GIAO

2.1 Mô hình hệ thống

Xét hệ thống mạng gồm có Macrocell, Macrocell có Femtocell Giả sử Femtocell sử dụng chung tần số với Macrocell nên Femtocell có lưu lượng: gọi (trong Femtocell), gọi chuyển giao đến từ Femtocell

Macrocell gọi chuyển giao đến từ Femtocell thuộc Macrocell lân cận) Để phân tích, hệ thống chuyển giao mơ hình mạng BCMP đóng với nhiều lớp gọi [5], sách hàng đợi khác thời gian phục vụ phân bố mũ chung Sở dĩ Femtocell (i j, k l) Macrocell A B khác loại hàng đợi nội dung báo cần phân tích hành vi cell có xử lý gọi chuyển giao dọc trường hợp chúng cần có chia sẻ kênh

Giả thiết, hệ thống mạng hàng đợi đóng ta cho số gọi mà Femtocell xử lý thời điểm hữu hạn Mơ hình mạng đóng đề xuất cho hình Các ký hiệu quy ước bảng 1, đó, loại gọi đặc trưng thông số số lượng gọi n, xác suất và tốc độ trung bình  tương ứng

Bảng Các ký hiệu loại gọi

Đặc tính Macrocell A Macrocell B

Femtocell Ai Femtocell Aj Femtocell Bk Femtocell Bl Kiểu hàng đợi M/M/1-FCFS M/G/1-PS M/G/1 –PS

M/M/1-FCFS

Cuộc gọi nAii,Aii,Aii nAjj,Ajj,Ajj nBkk,Bkk,Bkk nBll,Bll,Bll

Cuộc gọi chuyển giao

Macrocell nAij,Aij,Aij nAji,Aji,Aji nBkl,Bkl,Bkl nBlk,Blk,Blk Cuộc gọi chuyển giao đến

Macrocell lân cận -

, , ,

, ,

Aj Bk Aj Bk Aj Bk

n 



, , ,

, ,

Bk Aj Bk Aj Bk Aj

n 

 -

Trung bình thời gian phục vụ Ai Aj Bk Bl

Trung bình tốc độ đến cell Aii Ajj Bkk Bll

2.2 Phân tích mơ hình

Trước hết, ta nhóm gọi theo lớp gọi, r r( 1, , )R Trong lớp gọi có thời gian phục vụ trung bình suất định tuyến giống Ở trên, ta cho Femtocell thực loại gọi khác nhau, vậy, ta nhóm chúng thành lớp (R=3) gọi: lớp gọi mới, lớp gọi chuyển giao Femtocell lớp gọi chuyển giao sang Femtocell thuộc Macrocell lân cận Cho gọi di chuyển qua Femtocell (trong Macrocell Macrocell khác nhau) không thay đổi lớp gọi Như vậy, mạng cho hình ta chọn Femtocell Aj Femtocell Bk hai Macrocell A B để phân tích, chúng xử lý loại gọi thuộc lớp khác Tổng xác suất định tuyến gọi là:

1 Aii Aij

   ;AjjAjiAj Bk, 1;BkkBklBk Aj, 1;BllBlk1

Tổng số gọi Femtocell Aj: NAjnAjjnAjinBk Aj, nAj Bk, (1)

Tốc độ đến Femtocell j lớp mạng s (macrocell A) gọi chuyển giao từ Femtocell i lớp mạng r (macrocell A) làir js, Khi đó, tổng tốc độ

gọi chuyển giao dọc đến Femtocell j lớp s là: , , 1

( )( )

r N R

vhj ir js ir js r i

  

 

 (2)

Femtocell j có tổng số gọi Njs, ta có: NjsNvhjNhhjNnwj (3)

Trong đó, ,

1,

s N hhj ks js

k k j

N n

 

  tổng số gọi chuyển giao ngang từ

Femtocell k k( 1, ,Ns)đến Femtocell j j( 1, ,Ns)và kj; Nnwjnjss tổng số gọi Femtocell j lớp mạng s

Thay vào (3) ta có: , ,

1, 1,

s

r N

N R

js ir js ks js jss r r s i k k j

N n n n

    

      (4)

Tổng tốc độ tất gọi đến Femtocell j của lớp mạng s :

, , , , 1 1,

( )( ) ( )( )

s

r N

N R

js ir js ir js ks js ks js jss jss

r i k k j

      

   

    (5)

Trong đó,ks js, ,ks js, tốc độ xác suất đến Femtocell j lớp mạng s

gọi chuyển giao, jss,jss tốc độ xác suất đến Femtocell j lớp mạng s

cuộc gọi Femtocell j Số lượng trung bình gọi đến Femtocell j (hay tỷ số đến, tốc độ tương đối) gọi xác định là:

, , , , 1 1,

( )( ) ( )( )

s

r N

N R

js ir js ir ks ks js ks js jss jss

r i k k j

v v  v  v 

   

    (6)

Trong mơ hình mạng hàng đợi nhiều lớp, có gọi chuyển giao hay gọi mới, gọi không thay đổi lớp lớp mạng

1) Tổng mức độ sử dụng Femtocell j lớp mạng s đồng thời tất các gọi lớp khác nhau:

1

, , 1, 1,

( )

1

js r s

C R N N

js js js

js ir js ks js jss

j js

n r r s i k k j

C n N

U n n n

C N





     

 

 

  

 

     

  

  

    (7)

Trong đó, Cj số kênh cell j; Cjs số kênh cell jở lớp s 2) Số lượng trung bình gọi Femtocell j lớp mạng s là:

, , , , 1, 1,

s

r N

N R

j ir js ir js ks js ks js jss jss r r s i k k j

N n  n  n 

    

      (8)

3) Đáp ứng trung bình Femtocell j lớp mạng s các gọi đến Femtocell j tính theo luật Little:

js js js N R



 (9)

3 MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 3.1 Giới thiệu mơ

Hình Mơ hình mơ dạng mạng hàng đợi đóng cho mạng Macrocell mức

Mạng gồm lớp công việc: job class gọi mới; job class gọi chuyển giao Macrocell; job class gọi chuyển giao đến từ Macrocell lân cận Chọn chế độ làm việc cho mô hình Erlang M/M/n1/n2(với n1là dung lượng hệ thống tức số lượng kênh; n2là số lượng gọi đến) Femtocell Ai Aj FCFS chế độ làm việc cho Femtocell Bk Bl PS; Chọn số lượng mẫu khảo sát 2000000; số bước khảo sát N=10; Chọn tốc độ đến cho: Cuộc gọi (class 1) phân bố mũ với giá trị trung bình 0,1sec; Cuộc gọi chuyển giao Femtocell Macrocell (class2) phân bố mũ với giá trị trung bình 0,2sec; Cuộc gọi chuyển giao đến từ Macrocell lân cận (class3) phân bố mũ với giá trị trung bình 2sec Phân bố thời gian phục vụ không phụ thuộc tải Chúng ta thực tính theo thuật tốn phân tích giá trị trung bình MVA [6] Các số đo hiệu hệ thống Erlang M/M/n1/n2là số lượng gọi trung bìnhE N[ im], đáp ứng trung bình

[ im]

E R , mức độ sử dụng gọi

3.2 Các kịch bản, kết mô thảo luận

3.2.1 Kịch 1: Chọn thơng số cho mơ hình Erlang M/M/n1/n2với n1n2, cụ thể

1 30

Hình Kết mơ theo kịch 1.

Hình So sánh số lượng gọi đến (a); Thời gian đáp ứng (b); Mức độ sử dụng (c) Từ hình 3, ta thấy, tăng

dần số lượng n1n2thì hệ thống đáp ứng tốt, thơng số hiệu tăng đều, khơng có biến động, thể chất lượng đảm bảo Tuy nhiên, thực tế, lúc số lượng băng thông sẵn có đủ đáp ứng cho gọi, vậy, n1n2thì hệ thống xảy tượng chia sẻ tranh chấp tài nguyên Vì vậy, chúng tơi tiến hành đánh giá kịch (n1n2) kịch (n1n2) Các thông số hiệu đạt kịch tổng hợp bảng 2, sau đó, tiến hành so sánh kịch với nhau, kết hình Qua

đó, chúng tơi có nhận xét kịch 1, số lượng gọi phục vụ Bảng Tổng hợp kết theo kịch bản.

thời gian đáp ứng tốt (hình 4a 4b), mức độ sử dụng tương đương kịch (hình 4c)

3.2.2 Kịch 2: Chọn n1n2(với n115 n230) cho thấy thông số hiệu khảo sát thấp (hình 4a, 4b, 4c) Đối với giá trị khác thỏa mãn

1

n n cho kết tương tự

3.2.3 Kịch 3: Chọn n1n2 (với n130 n2 15) chúng tơi thấy mức độ sử dụng cao (hình 4c); số lượng gọi phục vụ đạt trung bình (hình 4a) thời gian đáp ứng

khơng ổn định cho nút (hình 4b) Đối với giá trị khác thỏa mãn n1n2cũng cho kết tương tự

Xét trường hợp tất nút có chế độ hàng

đợi FCFS cho thầy kết nút Aj bảng (kết tương tự nút Bk) Khi tiến hành so sánh hai mơ hình hệ thống kiểu có dùng hai chế độ FCFS – PS (bảng 2) hệ thống kiểu dùng chế độ FCFS (bảng 3) ta có kết bảng Qua đó, ta thấy thơng số hiệu kết hợp hai chế độ FCFS PS tốt so với dùng chế độ FCFS

4 KẾT LUẬN

Bài báo thể đóng góp sau: Xây dựng mơ hình hàng đợi mạng Femtocell với loại gọi khác nhau, chế độ làm việc khác cho lớp công việc khảo sát; Tiến hành khảo sát hệ thống M/M/n1/n2 với mơ hình hệ thống kịch với tham số n1 n2 khác phản ánh tính thực tế nghiên cứu, từ cho thấy hiệu kịch có khác biệt rõ rệt để từ xây dựng mơ hình tối ưu cho hệ thống; Mở rộng phân tích đánh giá tất nút có chế độ hàng đợi FCFS cho thấy thông số hiệu tốt kịch M/M/30/30 kịch M/M/30/15) Khi tiến hành so sánh hai mơ hình hệ thống kiểu có dùng hai chế độ FCFS – PS hệ thống kiểu thơng số hiệu hệ thống kiểu (FCFS-PS) cho độ ổn định cao hệ thống kiểu (FCFS)

Kết mô cho thấy phù hợp mơ hình hàng đợi hệ thống chuyển giao macrocell (4G) femtocell đề xuất báo Có thể phân tích q trình chuyển giao thực tế thay đổi dung lượng băng thông, đáp ứng trung bình nút macrocell femtocell, thay đổi tốc độ di động thiết bị đầu cuối thông minh, số thông số chất lượng dịch vụ theo chế chuyển giao như: tỷ số rớt gọi, bảo an toàn dịch vụ, mức ưu tiên,…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Prakash.S, C.B.Akki, Kashyap Dhruve, “Handoff management architecture for

4G networks over MIPv6” IJCSNS International Journal of Computer Science

and Network Security, Vol.10 (no.2) (2010), pp 267-274

[2] P Chowdhury, A Kundu, I S Misra, S K Sanyal, “Load balancing with reduced unnecessary handoff in energy efficient Macro/Femtocell based BNA Bảng So sánh hiệu gọi chuyển giao

networks”, International Journal of Wireless & Mobile Networks (IJWMN) Vol (3), (2012), pp 105-118

[3] X.Ge, T.Han, Y.Zhang, G.Mao, Cg-X Wang, J Zhang, B Yang, and S Pan, “Spectrum and Energy Efficiency Evaluation of Two-Tier Femtocell networks

With Partially Open Channels”, IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR

TECHNOLOGY, Vol 63(3) (2014), pp 1306-1319

[4] Christopher H Jackson, “Multi-State Models for Panel Data: The msm

Package for R”, Journal of Statistical Software, Vol 38(8) (2011), pp 1-28

[5] Hồ Khánh Lâm, “Mạng hàng đợi chuỗi: Lý thuyết ứng dụng”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2015

[6] http://jmt.sourceforge.net/, 8/2016

ABSTRACT

PERFORMANCE ANALYSIS OF HANDOVER IN FEMTOCELL NETWORK WITH MCFPQN

Handover of next generation wireless 4G networks is one of the important characteristics that ensure quality of high-speed and broadband service requirements Heterogenous of multiple communications technologies and overlapping networks require a delivery mechanism for mobile terminals to maintain a high-speed and to achieve the seamless call services This paper proposes a transfer analysis solution using Multiclass Closed Product-Form Queuing Network (MCPFQN) with different scenarios of incomming calls in comparision with channel capacity as well as with different queues: FCFS-PS or FCFS only The results show that the performance of systems using FCFS-PS is better than FCFS; Moreover, when all nodes using FCFS the perfomance of systems is the best in the case of M/M/30/30 and the worst in the case of M/M/30/15

Keywords: Handover, Femtocell networks, Multiclass Closed Product-Form Queueing Network (MCPFQN), Performance analysis

Nhận ngày 20 tháng năm 2016 Hoàn thiện ngày 12 tháng 12 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2016

Địa chỉ: 1 Khoa Kỹ thuật Viễn thông, Trường Cao đẳng Điện tử - Điện lạnh Hà Nội; Trung tâm Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội;