Nghiên cứu cải tiến hiệu suất cấp phát kênh tần số mạng di động tế bào (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ĐỖ HỮU TRÍ NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HIỆU SUẤT CẤP PHÁT KÊNH TẦN SỐ MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính Mã số: 62.52.70.10 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2012 Công trình hồn thành Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Duy Lợi TS Bùi Thiện Minh Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quốc Bình Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Đình Việt Phản biện 3: TS Nguyễn Phạm Anh Dũng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào hồi 14 ngày 24 tháng năm 2012 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HIỆU SUẤT CẤP PHÁT KÊNH TẦN SỐ MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO I ĐẶT VẤN ĐỀ Một xu hướng phát triển ngành cơng nghiệp máy tính tính di động ngày tăng Cùng với kích cỡ thu nhỏ, nhiều máy tính cầm tay có tốc độ mạnh máy tính để bàn Người sử dụng có khả thiết lập trì phiên liên lạc máy tính với máy tính di chuyển từ nơi sang nơi khác Với việc tích hợp công nghệ thoại thông tin số liệu máy tính ngày thân thiện với người sử dụng coi thiết bị di động hoàn hảo, chủ chốt mạng không dây Cùng với phát triển không ngừng hệ thống thông tin di động, việc liên lạc phần tử mạng với thông qua môi trường truyền dẫn vơ tuyến đặt nhiều tốn phải giải quyết, quan trọng vấn đề sử dụng môi trường để đạt hiệu cao Trước yêu cầu ngày cao người sử dụng dịch vụ chất lượng, dung lượng, tính đa dạng dịch vụ, tốc độ truyền liệu, … việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến ln địi hỏi cấp thiết Nhằm làm tăng dung lượng mạng, nhiều kỹ thuật khác sử dụng chia nhỏ mạng thành tế bào, định phổ tần mới, thuật toán đa truy nhập, gán kênh động,…Đặc biệt, điều kiện nguồn tài nguyên vô tuyến cấp cho mạng hữu hạn, vấn đề cấp phát kênh tần số yếu tố quan trọng có ảnh hưởng tới dung lượng hiệu suất hoạt động mạng Các cơng trình nghiên cứu trước đưa nhiều thuật toán cấp phát kênh nhằm làm tối đa khả tái sử dụng đồng thời giảm tới mức thấp khả khoá kênh Việc tiếp tục nghiên cứu, phát triển thuật toán cấp phát kênh nhằm đảm bảo kênh tần số sử dụng hiệu quả, đáp ứng dịch vụ đa phương tiện ngày đa dạng thực vấn đề cấp thiết II MỤC TIÊU LUẬN ÁN Mục tiêu luận án nghiên cứu cải tiến, nâng cao hiệu suất hoạt động thuật toán cấp phát kênh tần số mạng di động tế bào Cụ thể là: - Nghiên cứu, hệ thống hóa, phân loại thuật toán cấp phát kênh tần số mạng di động tế bào; phân tích, so sánh, đánh giá ưu, nhược điểm thuật toán - Nghiên cứu sâu thuật toán cân tải động sử dụng mượn kênh chọn lọc thuật tốn cấp phát kênh thích nghi mạng di động tế bào; phân tích, đánh giá hiệu hoạt động thuật toán để từ đề xuất số điểm cải tiến nhằm tái sử dụng nguồn tài nguyên cách hiệu - Đề xuất số cải tiến thuật toán cân tải động sử dụng mượn kênh chọn lọc thuật tốn cấp phát kênh thích nghi; thực mô phỏng, kiểm chứng, đánh giá hiệu hoạt động đề xuất chương trình máy tính III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu kết hợp nhuần nhuyễn nghiên cứu lý thuyết kiến trúc, nguyên tắc hoạt động chế cấp phát kênh tần số mạng di động tế bào với việc mô chương trình máy tính để kiểm chứng, đánh giá hiệu hoạt động đề xuất, cải tiến cấp phát kênh tần số mạng di động tế bào IV ĐĨNG GĨP CỦA LUẬN ÁN 1- Hệ thống hóa, phân loại thuật toán cấp phát kênh mạng di động tế bào; phân tích, đánh giá, so sánh ưu nhược điểm thuật toán 2- Cải tiến thuật toán cân tải động với mượn kênh chọn lọc thuật tốn gán kênh thích nghi nội dung sau đây: 2.1 - Xây dựng phương pháp cấu hình nhóm compact có nhu cầu mượn kênh, đặc biệt trường hợp có ô tâm nhóm, biên mạng biên hai nhóm biên nhiều nhóm compact 2.2 - Nghiên cứu, xác định số lượng kênh mà có nhu cầu cần mượn (X) mối quan hệ số kênh mượn số kênh cần khóa đồng kênh 2.3 - Nghiên cứu, xác định số lượng kênh cho mượn (Y) điều kiện cần thỏa mãn cho mượn Y kênh 2.4 - Nghiên cứu để xác định xác toạ độ phải khóa đồng kênh ô cho mượn kênh; giá trị ngưỡng lạnh tính tốn lại sau lần khố đồng kênh góp phần làm tăng số lượng kênh cho mượn 2.5 - Nghiên cứu, xác định thứ tự ưu tiên cho mượn kênh để tăng số lượng kênh cho mượn giảm độ phức tạp thuật toán 2.6 - Mở rộng khả tham gia cấp phát kênh ô lân cận ô có nhu cầu cấp phát kênh 3- Thực mơ chương trình máy tính để kiểm chứng thuật tốn cải tiến, ưu việt so với thuật toán cân tải động với mượn kênh chọn lọc thuật toán gán kênh thích nghi V BỐ CỤC LUẬN ÁN Ngồi phần Mở đầu Kết luận, luận án gồm chương Chương giới thiệu tổng quan mạng tế bào: phát triển, khái niệm tế bào cấp phát, sử dụng kênh mạng tế bào, tái sử dụng kênh đánh giá hiệu suất thuật toán cấp phát kênh Chương trình bày cách hệ thống thuật toán cấp phát kênh, bao gồm: phân loại thuật toán cấp phát kênh (cấp phát kênh cố định, cấp phát kênh động, cấp phát kênh lai); đánh giá, so sánh ưu nhược điểm thuật tốn Chương trình bày chi tiết thuật tốn cân tải động với mượn kênh chọn lọc thuật tốn cấp phát kênh thích nghi; đánh giá, so sánh ưu nhược điểm thuật tốn; từ đề xuất số nội dung cụ thể cần cải tiến Chương đề xuất thuật toán cấp phát kênh tần số sở cải tiến thuật toán cân tải động với mượn kênh chọn lọc thuật tốn cấp phát kênh thích nghi Chương trình bày chương trình máy tính kết mơ nội dung cải tiến đề xuất chương VI TÓM TẮT LUẬN ÁN Chương Giới thiệu tổng quan 1.1 Sự phát triển mạng di động tế bào Mạng thông tin di động tế bào trải qua hệ: 1G, 2-2.5G 3G Hệ thống hệ thứ 1G hệ thống di động tương tự, thiết kế để truyền tải thoại Thế hệ (2-2.5G) sử dụng công nghệ số Hệ thống hệ (3G) đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt tiêu chuẩn hệ hai có, loại hình dịch vụ tốc độ truy nhập Hệ thống di động số thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, hệ thống 3G trọng đến khả truyền thông đa phương tiện 1.2 Cấp phát kênh tái sử dụng kênh Khái niệm tế bào Khái niệm tế bào xuất phát từ hệ thống mạng Bell theo chuẩn AMPS năm 1979, kiến trúc mạng tổ hợp từ hình lục lăng (Hình 1.1-a) Mỗi có trạm gốc cung cấp kênh tần số cho thiết bị di động Trạm gốc AMPS coi ô Mỗi ô liên kết với trung tâm chuyển mạch MSC có vai trị điều khiển gọi, hoạt động cổng để kết nối với mạng khác Hình 1.1: a) Kiến trúc mạng di động b) Nhóm compact gồm ô, i=2,j=1 Bắt đầu từ ô nào, di chuyển i ô theo hướng sáu hình lục lăng bên cạnh đó, đổi hướng ngược chiều kim đồng hồ 60 độ di chuyển j (Hình 1-b) Ơ đích ô đồng kênh gần với ô ban đầu Đối với ơ, có hai tập hợp đồng kênh gần nhất, tuỳ thuộc vào việc di chuyển theo chiều kim đồng hồ ngược chiều kim đồng hồ Bằng cách lặp lại mơ hình này, cụm hình thành, biểu diễn tập hợp kênh tần số khác Một cụm ô gọi tổ hợp ô cố định (compact pattern) Số ô tổ hợp cố định tính công thức N=i2 + ij + j2 Cấp phát kênh Phổ tần số chia thành tập kênh vô tuyến riêng biệt Để chia phổ tần số thành kênh vậy, nhiều kỹ thuật phân chia theo tần số (FD), phân chia theo thời gian (TD), phân chia theo mã (CD) sử dụng Trong FD, phổ tần số chia thành băng tần riêng biệt, TD gọi phát tần số chung theo khoảng thời gian khác Khoảng thời gian đủ bé để người sử dụng khơng thấy có rời rạc nghe người khác nói Trong CD, kênh phân biệt nhờ sử dụng thuật toán điều chế theo mã khác Tái sử dụng kênh Coi Si (k) tập thứ i thuê bao mà liên lạc với việc sử dụng tần số k Do đặc tính vật lý môi trường song vô tuyến, tần số k tái sử dụng đồng thời tập thứ j khác thuê bao tập i j cách khoảng đáng kể Tất thuê bao mà sử dụng tần số coi tập đồng kênh gọi theo cách đơn giản đồng kênh Khoảng cách nhỏ mà tập đồng kênh tái sử dụng với nhiễu gây chấp nhận gọi “khoảng cách tái sử dụng đồng kênh” Khoảng cách nhỏ đảm bảo mức tỉ số tín hiệu nhiễu (SIR) tập đồng kênh lớn ngưỡng xác định (SIRmin) 1.3 Đánh giá hiệu suất thuật toán cấp phát kênh Hiệu suất (performance) khái niệm tổng quát xác định chất lượng hoạt động hệ thống - xét từ góc độ người sử dụng - độ sẵn sàng (availability), tính hiệu (effectivity), độ tin cậy (reliability) độ an tồn (security) hệ thống Có phương pháp đánh giá hiệu suất: a) Mơ hình hóa sử dụng cơng cụ tốn học, cịn gọi mơ hình hóa giải tích (analytical modeling); b) Mơ hình hóa sử dụng chương trình máy tính (simulative modeling); c) Đo thực tế (Measurement) Trong mạng di động tế bào, số độ đo hiệu suất quan trọng là: (a) Ở mức gọi: xác suất từ chối gọi, xác suất rớt gọi, thời gian trễ cho thiết lập gọi, thời gian trễ chuyển giao, … (b) Ở mức tín hiệu: cường độ tín hiệu thu được, nhiễu xuyên kênh, tỷ suất sóng mang - nhiễu tạp âm CIR, Trong khuôn khổ luận văn, độ đo hiệu suất mức gọi xác định yếu tố đánh giá hiệu hoạt động thuật toán cấp phát kênh mạng di động tế bào Ngoài ra, số độ đo khác sử dụng q trình phân tích, đánh giá, so sánh cải tiến thuật toán cấp phát kênh là: (a) Số kênh cần cấp phát (lớn nhất) thuê bao đáp ứng; (b) Số ô đồng kênh phải khóa (nhỏ nhất) thực cấp phát kênh; (c) (Tăng cường) khả tham gia cấp phát kênh lân cận có nhu cầu cấp phát kênh; (d) Thứ tự ưu tiên cấp phát kênh (để làm giảm xác suất rớt gọi) Chương Các thuật toán cấp phát kênh 2.1 Tổng quan thuật tốn cấp phát kênh Có nhóm thuật tốn cấp phát kênh sau đây: a) Cấp phát kênh cố định FCA (Fixed Channel Allocation); b) Cấp phát kênh động DCA (Dynamic Channel Allocation); c) Cấp phát kênh lai HCA (Hybrid Channel Allocation) 2.2 Các thuật toán cấp phát kênh cố định FCA [2, 5] Trong cấp phát kênh cố định FCA, ô thiết lập kênh gán cố định cho vị trí ơ; tập kênh tần số khơng thay đổi trừ cần cấu hình lại cho giai đoạn Các ô sử dụng tập kênh gán 2.3 Các thuật toán cấp phát kênh động DCA [5, 8, 9, 10] Trong DCA, kênh rỗi lưu giữ tập trung trung tâm (central pool) Khi có yêu cầu kênh từ trạm gốc, MSC chọn kênh thích hợp mà cho hiệu cao có tính đến ràng buộc nhiễu tín hiệu Các kênh gán suốt thời gian diễn gọi, sau gọi kết thúc, kênh trả lại cho trung tâm tái cấp phát cho thuê bao ô mà điều khiển kênh trước 2.4 Các thuật toán cấp phát kênh lai HCA Các thuật toán cấp phát kênh lai HCA kết hợp FCA DCA Trong HCA, tổng số kênh rỗi phân chia thành tập hợp kênh cố định tập hợp kênh động Tập hợp kênh cố định ưu tiên gán cho yêu cầu theo thuật toán FCA trường hợp Tập hợp kênh động gán cho tất yêu cầu cấp phát kênh hệ thống Khi có yêu cầu cấp phát kênh kênh thuộc tập hợp kênh cố định khơng cịn kênh rỗi kênh rỗi thuộc tập hợp kênh động gán cho u cầu tn thủ thuật tốn cấp phát kênh động cụ thể 2.5 Đánh giá, so sánh FCA DCA [3] FCA DCA Hiệu tải lưu lượng Hiệu tải lưu lượng nhỏ lớn Mềm dẻo cấp phát kênh Không mềm dẻo cấp Mức độ tái sử dụng kênh không phát kênh luôn cao Phản ứng nhạy cảm với thời Tỷ suất buộc kết thúc gọi thấp gian thay đổi thành phần tải Tỷ suất buộc kết thúc gọi cao Độ phức tạp tính tốn thấp Độ trễ thiết lập gọi thấp Độ phức tạp thực thấp Tải điều khiển báo hiệu thấp Thực điều khiển tập trung Độ phức tạp tính tốn cao Độ trễ thiết lập gọi từ trung bình đến cao Độ phức tạp thực từ trung bình đến cao Tải điều khiển báo hiệu từ trung bình đến cao Thực điều khiển tập trung, không tập trung, phân tán phụ thuộc vào thuật toán cụ thể 2.6 Kết luận Các thuật toán DCA thực tốt trường hợp mật độ lưu lượng thấp Các thuật toán FCA cải tiến có hiệu suất cao trường hợp tải lưu lượng lớn Các thuật toán DCA sử dụng kênh hiệu tỉ lệ khóa kênh, gọi buộc phải chấm dứt (rớt gọi) thuật toán DCA thấp so với thuật toán FCA Tuy nhiên, cấp phát kênh gần tối ưu địi hỏi thơng tin cần trao đổi lớn sử dụng thuật tốn cấp phát tập trung Điều có nghĩa thuật tốn khơng thích hợp mạng lớn Các thuật toán DCA phân tán với việc hạn chế truyền thông ô làm thông tin trao đổi giảm lại dẫn đến hiệu suất cấp phát giảm Các thuật toán đề suất cho hệ thống tế bào nhỏ cấu trúc ô cho phép chia sẻ thông tin ô bị ảnh hưởng nhiễu chịu giám sát trạm gốc Đối với hệ thống lớn, thuật tốn FCA với mượn kênh cho kết tốt độ phức tạp tính tốn thấp DCA Tuy nhiên, thuật toán FCA lại áp dụng việc điều khiển tập trung MSC, chúng phức tạp thuật toán DCA cần thiết trì việc cập nhật thơng tin tồn mạng di động dẫn đến việc phản hồi chậm tải tín hiệu lớn Chương Thuật toán cân tải động với mượn kênh chọn lọc phiên cải tiến 3.1 Thuật toán cân tải động với mượn kênh chọn lọc Mơ hình hệ thống giả thiết a) Xác định nhóm compact Mỗi ô cấp phát tập kênh C, tập kênh lại tái sử dụng ô khác với khoảng cách đủ để nhiễu đồng kênh gây không đáng kể (khoảng cách tái sử dụng đồng kênh) Hai tham số i j gọi tham số shift: ô nào, di chuyển i ô theo hướng sáu hình lục lăng bên cạnh đó, đổi hướng ngược chiều kim đồng hồ 60 độ di chuyển j ơ; đích đồng kênh gần với ô ban đầu Bằng cách lặp lại mơ hình này, cụm hình thành, cấp phát tập hợp kênh khác Một cụm ô gọi nhóm Compact; số nhóm Compact tính cơng thức N=i2 + ij + j2 [4] b) Phân lớp ô Mỗi ô cấp phát tập C kênh; ô phân lớp nóng lạnh phụ thuộc vào độ lạnh dc xác định tỉ số số kênh rỗi C, dc= số kênh rỗi/C Nếu dc nhỏ ngưỡng xác định h nóng, ngược lại lạnh Việc xác định h phụ thuộc vào trung bình gọi đến tỉ lệ gọi bị chấm dứt toàn mạng c) Phân lớp thuê bao ô Thuê bao ô phân lớp thành loại: mới, rời ô khác Thuê bao trong nhỏ khoảng thời gian τ Thuê bao rời ô thuê bao bên vùng bóng nhận cường độ tín hiệu giảm dần từ trạm gốc A khoảng thời gian cuối ∝ Thuê bao rời ô phân thành lớp khác Cơ chế cân tải động a) Nguyên tắc hoạt động Một ô lạnh mượn kênh tương tự, nóng khơng thể cho mượn kênh Các th bao rời nóng có thứ tự ưu tiên cao việc mượn kênh Khi ô trở nên nóng cần phải mượn kênh, kênh mượn từ ô lạnh lưu tập kênh có sẵn mượn gọi tập kênh mượn, điều kiện định, kênh tái gán cho thuê bao rời ô kênh mà thuê bao rời ô sử dụng trước trả lại cho tập kênh có sẵn ơ, tập kênh nóng cập nhật bổ sung Khi kênh ô lạnh mượn, để tránh nhiễu đồng kênh với mượn kênh phải bị khố khơng cho mượn mà cịn đồng kênh ô cho mượn mà không đồng kênh với ô mượn b) Cơ chế mượn kênh - Điều kiện mượn kênh: Một nóng mượn kênh từ lạnh thích hợp nhóm compact Có tham số xác định mức độ thích hợp ô lạnh L mượn kênh: a) Độ lạnh dc(L): Tỉ số kênh rỗi ô L tổng số kênh cấp phát cho ô L Ơ lạnh thích hợp việc cho mượn kênh b) Gần D(B,L): Khoảng cách ô mượn kênh B cho mượn L c) Ơ nóng đồng kênh H(B,L): Số nóng đồng kênh với cho mượn kênh L mà không đồng kênh với ô mượn B - Tiêu chuẩn mượn kênh: Ô L ô có khả cho mượn tốt hàm F(B,L) đạt giá trị lớn - Xác định số kênh cần mượn: Độ lạnh trung bình mạng ký hiệu avr dc tính trung bình cộng độ lạnh tất dc cách định kỳ Giả sử số lượng kênh rỗi nóng h.C; X số lượng kênh mà cần mượn từ lạnh xác định sau: X= C.(dcavr h) c) Thuật toán mượn kênh (1) Khởi tạo: MSC gửi tin yêu cầu đến trạm BTS để thu thập tính tốn thơng số cần thiết - Tại MSC: tính thơng số H[i,j], dc, h, X; - Tại BTS: sử dụng tham số C, p, dc, h để tính thơng số r; nóng tính giá trị NumDepart[i] (2) Nhận giá trị NumDepart[i] (3) Lựa chọn lạnh lân cận có giá trị NumDepart[i] khác 0; xếp ô theo thứ tự giảm dần giá trị F(B,L) (4) Với ô danh sách trên, thực mượn kênh số kênh mượn NumDepart[i]; khóa kênh cho mượn ô đồng kênh với L không đồng kênh với B (5) Thực bước (4) số kênh cần mượn mượn đủ (6) Tính F(B,L) cho tất lạnh cịn lại tổ hợp ô cố định, nghĩa trừ ô lạnh xử lý bước (3), (4), (5) (7) Mượn kênh có giá trị F(B,L) lớn nhất; khóa kênh cho mượn đồng kênh với L khơng đồng kênh với B; tính lại F(B,L) với giá trị dc (8) Thực bước (7) số kênh cần mượn mượn đủ d) Thuật toán tái gán kênh Thuật toán gán kênh ưu tiên yêu cầu (cấp phát) kênh dựa theo lớp mà chúng thuộc vào Có lớp yêu cầu kênh: - Lớp yêu cầu chuyển giao từ thuê bao qua vùng biên Có mức ưu tiên cao để nhận kênh - Lớp yêu cầu kênh phục vụ thiết lập gọi; có mức ưu tiên thứ - Lớp yêu cầu dành cho tái gán kênh Có kiểu tái gán kênh: a) kiểu việc tái gán kênh địa phương cho thuê bao “mới” thuê bao “khác” mà sử dụng kênh mượn, kênh địa phương không thỏa mãn yêu cầu lớp 2; b) kiểu tái gán kênh mượn cho thuê bao rời ô mà sử dụng kênh địa phương, kênh mượn không thỏa mãn yêu cầu lớp Yêu cầu lớp dành cho tái gán kênh kiểu - Lớp yêu cầu dành cho tái gán kênh kiểu Trong trường hợp có nhiều yêu cầu lớp, thuật toán lựa chọn ngẫu nhiên thuê bao để nhận kênh Đánh giá thuật tốn cân tải động qua mơ hình Markov Si trạng thái với i số kênh sử dụng, cấp cho yêu cầu kênh thuê bao chỗ, cho nóng khác mượn 11 Bước 1: Lấy ô i làm tâm, chia ô hệ thống thành vùng đường thẳng l1, l2,…, l6 Bước 2: Nếu ô k không nằm đường thẳng nằm lj lj+1 khố kênh ô j-1, j j+1 Ở đây, j đánh số từ đến 6, j=1 j-1=6, j=6 j+1=1 Bước 3: Nếu k nằm đường thẳng lj khố kênh j-1 j Nếu i≥j khố đồng kênh j+1, ngược lại khố j-2 Đánh giá hiệu suất Kết mô cho thấy, thuật tốn cấp phát kênh thích nghi hoạt động hiệu thuật toán LBSB: xác suất từ chối gọi thấp Ngồi ra, thuật tốn cấp phát kênh thích nghi cần thực nóng có nhu cầu mượn kênh đơn giản thiết kế, thực thuật toán hiệu kích hoạt thuật tốn Ngun nhân đạt ưu điểm là: - Thuật tốn cấp phát kênh thích nghi sử dụng ngưỡng, ngưỡng nóng ngưỡng lạnh, để ngăn khơng cho hiệu ứng “quả bóng bàn” xảy (đó là, trạng thái ô chuyển liên tục từ nóng sang lạnh ngược lại) - Ngưỡng nóng ngưỡng lạnh xác định cách thích nghi, phù hợp với trạng thái hệ thống, từ cho phép tận dụng tối đa kênh rỗi hệ thống mượn - Thuật toán cấp phát kênh thích nghi xem xét trạng thái ô đồng kênh với ô lạnh định mượn kênh Điều cho phép tránh hiệu ứng mượn kênh vịng lặp, làm lãng phí tài nguyên tần số hệ thống 3.3 Một số cải tiến thuật tốn khố đồng kênh thích nghi Thuật tốn khố đồng kênh thích nghi tác giả Lung-Ching Juan đề xuất sở thuật toán Adapt Yongbing Zhang, chia ô cho mượn hệ thống thành vùng đường thẳng ln, bổ sung thêm việc phân loại nhóm compact thành lớp theo tham số shift (i, j) khác [6] Dựa vào việc phân loại áp dụng khoảng cách tái sử dụng đồng kênh [1], tác giả chứng minh số trường hợp cần khố kênh đồng kênh đủ Tác giả Lung-Ching Juan [7] mô đề xuất với tham số: (i,j)=(3,2), phân phối gọi đến ô tuân theo hàm phân phối Poisson λ, thời gian giữ gọi theo phân phối hàm mũ 1/µ 500s, ∆lh= 2, r=0,8, cmin=0,05C Kết mơ so sánh với nhóm phương pháp FCA DCA cho thấy xác suất khoá gọi thấp Thuật toán Lung-Ching Juan làm giảm số đồng kênh phải khố số trường hợp xuống 2, nhiên thuật tốn vùng cần phải khố, chưa xác nào, đặc biệt phải khố khơng xác định theo quy luật xác 12 phải khố kênh khó khăn Mặt khác, tác giả chọn ∆lh giá trị cố định suốt q trình thi hành thuật tốn, Tl giá trị biến thiên theo thời gian thực, sau lần ô mượn kênh, giá trị phải tính lại Bên cạnh đó, kết mơ không so sánh với phương pháp cụ thể mà so sánh với nhóm phương pháp FCA DCA nên khó đánh giá hiệu thực đề xuất 3.4 Đánh giá, so sánh đề xuất cải tiến Thuật toán LBSB thực tốt tỉ lệ gọi đến không cao Tuy nhiên gọi đến lớn, ô mà độ lạnh gần với giá trị ngưỡng rơi vào tình trạng bóng bàn Hơn nữa, trạng thái ô đồng kênh ô cho mượn kênh khơng quan tâm nên việc khố kênh nóng làm cho nóng thêm Tất điều làm xuất tình trạng vịng lặp việc mượn kênh Bên cạnh đó, việc ô nóng bỏ qua không xét ô lân cận lạnh sau cho mượn kênh ô trạng thái lạnh cho mượn kênh làm hạn chế số lượng kênh mà ô nóng mượn Khi ô lạnh cho mượn kênh việc khố hầu hết đồng kênh làm hạn chế số lượng kênh mà cho mượn Thuật tốn thích nghi sử dụng ngưỡng để phân ô thành lớp nhằm ngăn chặn cách hiệu tình trạng sau nóng mượn kênh lại phát sinh số khác nóng cần mượn kênh Số kênh mà nóng cần mượn phụ thuộc vào độ nóng ngưỡng nhẹ, nghĩa nóng nhiều mượn nhiều ngược lại Thuật tốn khố kênh giảm số đồng kênh cần phải khố xuống cịn 3, Lung-Ching Juan đề xuất thuật tốn khố đồng kênh thích nghi, theo số trường hợp cần khố đồng kênh đủ nhằm làm tăng số kênh cho mượn (vì kênh mà cho mượn phải rỗi ô cho mượn ô đồng kênh, số đồng kênh mà nhiều số kênh rỗi thấp số ô đồng kênh ít) Tuy nhiên, thuật tốn Yongbing ZHANG Lung-Ching Juan bộc lộ số nhược điểm như: Ở thuật tốn mượn kênh, nóng sau mượn kênh từ lân cận lạnh, cịn lạnh có tiềm cho mượn, ô nóng có nhu cầu mượn kênh không mượn Mặt khác, ô muốn cho mượn kênh số kênh rỗi phải lớn ngưỡng lạnh số kênh rỗi trung bình tồn mạng giá trị lớn h.C LBSB nên điểm làm giảm số lượng ô lạnh tham gia vào trình cho mượn kênh Số lượng đồng kênh phải khố cần giảm đáng kể để tránh gây lãng phí tài nguyên khơng cần thiết Ngồi ra, số kênh mà nóng mượn thấp so với LBSB số kênh rỗi ô lạnh ô đồng kênh phải lớn ngưỡng lạnh khoá kênh 13 Trong hai thuật toán khoá kênh ô đồng kênh thuộc vùng cần phải khoá (nếu theo quy luật) không vùng (nếu khơng theo quy luật), chưa xác vị trí phải khố Mặt khác, hai thuật toán khoá kênh chọn ∆lh giá trị cố định suốt trình mượn kênh tồn mạng, giá trị phải biến thiên Giá trị ∆lh cố định dẫn tới số kênh mượn chưa phải lớn Chương Một số cải tiến cấp phát kênh mạng di động tế bào 4.1 Cải tiến thuật toán mượn kênh Đề xuất số kênh cần mượn Chúng đề xuất số lượng kênh mà nóng cần mượn sau: X= C.dcavr-1 -ci , ci số kênh rỗi nóng (4.1) Sau mượn đủ X kênh, số kênh rỗi giá trị kênh rỗi trung bình tồn mạng kênh Đề xuất số lượng kênh mà lạnh cho mượn Để cho mượn kênh đồng kênh mà phải khố kênh trạng thái lạnh, chúng có số kênh rỗi tần số, khơng tần số khố kênh làm rớt gọi Việc cho mượn kênh diễn số kênh rỗi ô cho mượn đồng kênh giảm đến chạm ngưỡng lạnh Như số kênh mà ô lạnh cho mượn giá trị nhỏ của: - Số kênh rỗi tần số ô cho mượn ô đồng kênh - Min { ci - C.dcavr | ci số kênh rỗi ô cho mượn ô đồng kênh} Đề xuất điều kiện số kênh cần khóa đồng kênh Chúng tơi đề xuất có số kênh rỗi lớn C.dcavr +1 khoá kênh việc khoá kênh dừng lại số kênh rỗi C.dcavr tức lạnh phép khố kênh trung bình khơng phép khố kênh Hoặc để đảm bảo số kênh cho mượn nhiều quy định việc khố kênh dừng số kênh rỗi ô đồng kênh C(h+dcavr)/2 Số kênh Y mà lạnh cho mượn phải rỗi ô cho mượn đồng kênh (chỉ đồng kênh vị trí cần phải khố) thoả mãn: Y = Số kênh rỗi – C.dcavr (4.2) Đề xuất thuật toán mượn kênh Bước Khi khơng có th bao rời ơ, mượn kênh cho thuê bao bên ô từ ô lân cận compact, khoá đồng kênh Chấm dứt thuật toán Bước Có th bao rời ơ, mượn kênh từ ô lân cận, lạnh cho thuê bao rời nóng hướng tới Khố kênh Nếu số kênh cần mượn = chấm dứt thuật toán 14 Bước Kiểm tra thuê bao rời khơng ? khơng cịn mượn cho thuê bao bên ô từ ô lân cận (bao gồm ô xét Bước 2) cịn lại nhóm compact Khố kênh Chấm dứt thuật tốn Bước Nếu có th bao rời ô, mượn kênh cho thuê bao từ lân cận lạnh mà khơng có th bao hướng tới (bao gồm ô xét Bước 2) Khoá kênh Nếu số kênh cần mượn = chấm dứt thuật tốn; Nếu số kênh cần mượn > tiếp tục bước Bước Kiểm tra số thuê bao rời ô, nếu=0 mượn kênh cho thuê bao bên từ nhóm compact Khố kênh Chấm dứt thuật toán Bước Nếu số thuê bao rời ô > mượn kênh từ ô nhóm compact cho th bao Khố kênh; Nếu số kênh cần mượn = 0, chấm dứt thuật toán; Nếu số kênh cần mượn > 0, tiếp tục bước Bước Thực mượn kênh từ nhóm compact cho th bao cịn lại Khoá kênh Chấm dứt thuật toán 4.2 Cải tiến thuật tốn khóa kênh Đề xuất cải tiến thuật tốn khố kênh trình bày phát triển dựa thuật tốn khố kênh thích nghi Lung-Ching Juan, cụ thể là: bổ sung hệ toạ độ ô xét trường hợp cụ thể để xác định khố đồng kênh xác định xác vị trí phải khố đồng thời với việc xác định thuộc vùng nhóm compact xác định Ngoài ra, ngưỡng lạnh Tl đề xuất tính lại có mượn kênh (đồng nghĩa với việc thực khố đồng kênh) để làm tăng số kênh mượn Xác định khoảng cách khóa đồng kênh Điều kiện để ô B C sử dụng băng tần khoảng cách chúng đủ lớn để nhiễu gây không đáng kể Nếu th bao thứ 3, A sử dụng kênh ô B để thực gọi, khoảng cách từ ô A tới ô C mà lớn khoảng cách từ ô B tới ô C khơng cần thủ tục khố kênh khoảng cách từ ô A tới ô C nhỏ khoảng cách từ B tới C phải khố kênh C để tránh gây nhiễu Nhóm compact với tham số shift (i,j), tổng số nhóm N= i2 + ij + j2, R bán kính ơ, khoảng cách từ tới đồng kênh là: D=(i2 + ij + j2) 1/2 31/2 R = (3N) 1/2 R (4.3) Ơ nóng A u cầu mượn số kênh từ lạnh nhóm compact nó, MSC chạy thuật toán mượn kênh u cầu A thoả mãn khơng cịn ô lạnh Ký hiệu tham số shift ô A ô đồng kênh ô lạnh B cho A mượn kênh (ik,jk), có tới tham số shift khác số lượng 15 nhóm compact tương ứng Nk= ik2 + ikjk + jk2 Từ cơng thức (4.3) ta tính khoảng cách tái sử dụng kênh ô A B là: Dk= (3Nk) 1/2 R (4.4) Như khoảng cách D lớn Dk phải khố kênh đồng kênh cho mượn cịn ngược lại khơng cần khố kênh Cơ chế khóa kênh Nếu Dk≥D Nk≥N đồng kênh cho mượn khơng phải khố kênh (4.5) Nếu DkBS cho mượn BS cho mượn->MSC MSC->BS mượn X X X Xδ Xδ Xδ MSC->các ô đồng kênh ô cho mượn Các ô đồng kênh ô cho mượn->MSC BS mượn->MSC 2X Xδ 2X Xδ ∆ δ δ δ δ δ Bảng 5.11: Các thông báo trao đổi thuật toán Coi độ phức tạp thuật toán xác định thời gian trễ trao đổi thông báo, có Nh nóng thời điểm thuật tốn thực hiện, thời gian thực thuật toán xác định: t = 3δ+(2Xδ+3δ)Nh = 3δ+(2X+3)δNh 21 Tính hội tụ thuật toán Qua lần thử nghiệm với cấu hình mạng khác nhau, tham số đầu vào nhau, thời gian chạy tính giây (s) thuật tốn sau: Nhóm Compact LBSB Adapt Thuật toán N=7 5,7 4,3 3,4 N=12 9,2 8,7 6,2 N=13 10,5 7,3 N=19 15 13,2 9,1 N=27 21,4 17,1 15,3 Bảng 5.12: Thời gian thực thuật toán Bảng cho thấy, thời gian thực thuật toán đề xuất thấp thuật tốn cịn lại Mặt khác, mạng lớn thời gian thực lớn so với mạng nhỏ, điều cho thấy tốc độ hội tụ thuật tốn Ngồi ra, sau thực thuật tốn, khơng xảy tình trạng nóng cịn nhu cầu mượn, ô lạnh thoả mãn điều kiện cho mượn mà khơng mượn Điều cho thấy hội tụ thuật toán Khả ứng dụng thuật toán thực tế Hệ AMPS hệ điện thoại sử dụng công nghệ tương tự (analog), hệ mạng di động tế bào chuẩn hóa vận hành, khai thác Mỹ AMPS tương tự sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Ngày nay, AMPS cải tiến hướng tới cơng nghệ số, cịn gọi AMPS số (Digital AMPS hay D-AMPS) AMPS số sử dụng AMPS tương tự, có tích hợp cơng nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Hệ GSM sử dụng công nghệ số (digital), hệ mạng di động tế bào thứ hai, chuẩn hóa vận hành chủ yếu châu Âu Hệ GSM sử dụng kết hợp công nghệ đa truy nhập FDMA TDMA Ở Việt Nam, hệ GSM 900MHz vận hành, khai thác Cả hai hệ thống AMPS (tương tự số) GSM dựa kiến trúc mạng tế bào, thực tái sử dụng kênh, mượn kênh khố kênh tần số Điều cho thấy, ngun tắc, thuật tốn đề xuất có khả ứng dụng hai hệ thống nói Khi áp dụng thuật tốn đề xuất cho hệ AMPS tương tự lần nóng mượn kênh cho người sử dụng Hệ GSM cho phép nhiều người dùng chung kênh để liên lạc, người sử dụng 1/8 khe thời gian để truyền nhận thông tin Dải tần phát hệ thống GSM 900M từ 890MHz đến 915MHz, tức có 25MHz, kênh chiếm 200KHz, có khoảng 125 kênh tần số sử dụng lúc, 128 kênh chia cho ô nhóm compact, kênh tần số lại chia thành khe thời gian khe dùng cho tín hiệu điều khiển, 7/8 khe cịn lại dành cho người sử dụng Như vậy, tổng số người liên lạc thời điểm 125 x = 875 Rõ ràng, hiệu hoạt động thuật toán đề xuất tỷ lệ thuận với độ rộng băng tần cấp phát cho mạng di động tế bào 22 Cấp phát kênh OFDMA tiến hành miền tần số thời gian nên thuật toán cần phải bổ sung việc mượn khóa kênh theo khe thời gian OFDMA khác phương thức truy cập Hệ số tái sử dụng tần số ô nên vấn đề quan trọng xử lý nhiễu Tần số vùng lõi giống biên ô phải khác với vùng lõi, tần số biên ô phải khác với biên ô để tránh nhiễu, mượn kênh tái gán kênh bên tế bào tế bào lân cận yêu cầu tất yếu 5.5 Kết luận Từ kết mô rút số nhận xét sau đây: Số lượng kênh mà nóng mượn thuật tốn lớn so với thuật tốn Thích nghi Yongbing Zhang Sẽ có số trường hợp thuật toán LBSB mượn nhiều kênh so với thuật tốn LBSB, số kênh rỗi ô cho mượn cần lớn ngưỡng nóng với đồng kênh có kênh rỗi tần số, thuật tốn mới, số kênh rỗi ô phải lớn ngưỡng lạnh Trong số trường hợp, nóng thuật tốn khơng mượn kênh lý vài thuộc nhóm compact trạng thái nóng nên khơng thể cho mượn kênh có lạnh cho mượn kênh nhóm đồng kênh mà phải khố kênh lại có trạng thái nóng thuật tốn LBSB trạng thái trung bình thuật tốn Thích nghi thuật tốn đề xuất, dẫn đến việc mượn kênh thực Thuật tốn khơng phát sinh nóng, trạng thái gần nóng LBSB, nóng khơng tham gia khoá kênh Số lần phải thực khoá kênh đồng kênh thuật tốn nhỏ so với Adapt LBSB, khoảng 41% so với LBSB 83% so với Adapt Thuật toán rà soát hết khả ô mà tham gia cho mượn kênh, cịn kênh cịn tiếp tục cho mượn, khác với thuật tốn cịn lại, lân cận LBSB ưu tiên cho mượn kênh thuê bao chuyển vùng sang nó, Adap ưu tiên cho thuê bao chuyển vùng, dẫn đến cịn kênh rỗi khơng tiếp tục tham gia cho mượn kênh Điều làm số kênh mượn thuật toán tăng từ 9,18% đến 15% so với thuật tốn cịn lại Nếu giảm ngưỡng khố kênh thấp số lượng kênh nóng mượn tăng lên, số nóng cịn lại sau chạy mơ giảm, nâng cao hiệu mượn kênh Tuy nhiên không giảm nhiều gây hiệu ứng bóng bàn, theo đánh giá giá trị khoảng C.h+C dcavr-h 3/4 đảm bảo hiệu 23 Kết luận hướng phát triển Kết luận Luận án cải tiến thuật toán mượn kênh tần số mạng di động tế bào sở đề xuất số lượng kênh mà ô nóng cần mượn số kênh mà lạnh cho mượn Một nóng sau mượn kênh đáp ứng đầy đủ, số kênh rỗi giá trị kênh rỗi trung bình tồn mạng kênh Số kênh ô lạnh cho mượn giá trị nhỏ của: - Số kênh rỗi tần số ô cho mượn ô đồng kênh - Giá trị nhỏ hiệu số kênh rỗi với giá trị kênh rỗi trung bình tồn mạng cho mượn đồng kênh cần phải khố kênh Các lân cận lạnh mà có th bao rời nóng hướng ưu tiên cho mượn kênh trước, lạnh cịn lại nhóm compact cho mượn theo thứ tự ngẫu nhiên Các ô lân cận lạnh sau đáp ứng toàn yêu cầu chuyển giao tiếp tục tham gia trình cho mượn kênh Cải tiến thuật tốn khố kênh sở tính tốn lại giá trị ngưỡng lạnh sau lần thực thực khố đồng kênh Ngưỡng khóa kênh đồng kênh độ lạnh trung bình tồn mạng, đồng thời thuật tốn xác định vị trí ô đồng kênh cần khoá trường hợp không tuân theo quy luật Hướng phát triển Nghiên cứu cài đặt thuật toán theo hướng phân tán, trạm BTS có khả thực mượn kênh khố kênh trở nên tải không xử lý tập trung MSC Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố khác đến thuật tốn băng thơng, nhiễu phading, tổn hao đường truyền sóng Ứng dụng cơng nghệ tác tử (agent technology), hệ thống multiagent để nghiên cứu chế xử lý phân tán quản lý, cấp phát phân phối kênh môi trường di động tế bào Xây dựng chương trình mơ phỏng, đánh giá hiệu suất hoạt động hệ thống thuật toán đề xuất 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Asha Mehrotra “GSM System Engineering” Mobile Communication Series, Artech House Publishers ISBN 0-89006-860-7 1996 [2] Tejaskuma Patel, Dinesh K Anvekar and B.S Sonder “DCBWL: A New Channel Borrowing Scheme for Mobile Cellular Communication Systems" Processding of the 1996 IEEE International Conference on Personal Wireless Communications, New Delhi, India, pp 163-167, 1921 Febuary 1996 [3] I Katzela and M Naghshineh, "Channel Assignments Schemes for Cellular Mobile Telecommunication Systems: A Comprehensive Survey", IEEE Personal Communications, Vol 3, No 3, pp 10-31, (1996) [4] 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, Vol 3, pp 333-347, (1997) [5] Sajal K Das, Sanjoy K Sen, Rajeev Jayaram and Prathima Agrawal "A Distributed Load Balancing Algorithm for the Hot Cell Problem in Cellular Mobile Networks" Processding of 1997, 6th IEEE International Symposium on High Performance Distributed Computing, pp 254-263, Porland USA, 5-8 August 1997 [6] Yongbing Zhang "A New Adaptive Channel Assignment Algorithm in Cellular Mobile Systems" Proceedings of IEEE Conference on System Sciences pp.1-7 Hawaii, (1999) [7] Lung-Ching Juan, “A Modified Channel Assignment Algorithm in the Mobile Cellular System”, CYCU Electrical Engineering Master Dissertation, June (2000) [8] Kaushik Chowdhury, Pritam Chanda, Dharma P Agrawal, and QingAn Zeng, “DCA: A Distributed Channel Allocation Scheme for Wireless Sensor Networks”, 16th International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications, Berlin, Germany, pp.5, (2005) [9] Hussein Al-Bahadili, Arafat Abu Mallouh, “A Distributed Dynamic Channel Allocation Scheme in Cellular Communication Networks” Journal of Information Technology Research (JITR), Vol 2, No.1, pp 52-68, (2009) [10] Tamer Tulgar, Muhammed Salamah, "Performance analysis of a threshold based distributed channel allocation algorithm for cellular networks, Computers and Electrical Engineering", Vol.35, number 3, pp.485-496, May 2009 25 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Do Huu Tri, Vu Duy Loi, Bui Thien Minh, “Estimation on efficient of distribute channel allocation schemes for cellular network”, Tạp chí Khoa học Đại học quốc gia Hà Nội, Vol 24, No.3, pp 171-178, (2008) Đỗ Hữu Trí, Vũ Duy Lợi, Hà Mạnh Đào, “Cải tiến thuật toán mượn khoá kênh tần số mạng di động tế bào”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, Số 6(29), tr 49-56, (2008) Do Huu Tri, Vu Duy Loi, Ha Manh Dao, “Improved Frequency Channel Borrowing and Locking Algorithm in Cellular Mobile Systems”, Proceedings of the 2009 11th International Conference on Advanced Communication Technology, Phoenix Park, Korea, Vol.1, pp 214-217, (2009) Đỗ Hữu Trí, Vũ Duy Lợi, Hà Mạnh Đào, “Một số đề xuất cải tiến thuật toán cấp phát kênh tần số hệ thống di động tế bào”, Tạp chí chun san cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng công nghệ thông tin truyền thông, Tập V-1, Số 1(21), tr 62-68, (2009) ... suất hoạt động thuật toán cấp phát kênh tần số mạng di động tế bào Cụ thể là: - Nghiên cứu, hệ thống hóa, phân loại thuật toán cấp phát kênh tần số mạng di động tế bào; phân tích, so sánh, đánh... chế cấp phát kênh tần số mạng di động tế bào với việc mô chương trình máy tính để kiểm chứng, đánh giá hiệu hoạt động đề xuất, cải tiến cấp phát kênh tần số mạng di động tế bào IV ĐĨNG GĨP CỦA... dụng kênh đánh giá hiệu suất thuật toán cấp phát kênh Chương trình bày cách hệ thống thuật toán cấp phát kênh, bao gồm: phân loại thuật toán cấp phát kênh (cấp phát kênh cố định, cấp phát kênh động,