3.3.1 Giới thiệu các công cụ mô phỏng
Mô phỏng sử dụng các công cụ sau : Matlab, Network Simulator 2, moduleEurane, Network Analyzer for Network Simulator. Quá trình mô phỏng được thực hiện trong môi trường Linux Ubuntu 9.04.
3.3.1.1 Network Simulator - 2 (NS-2)
Sử dụng Network Simulator 2 ( NS2 ) để thiết lập mô phỏng , đây là một
phần mềm nguồn mở được phát triển với mục đích hỗ trợ việc mô phỏng các node và kết nối mạng.
Chương trình mô phỏng được tạo ra trong Otcl Script, rồi kết hợp sử dụng các thư viện của NS để phân tích kịch bản mô phỏng qua đó tạo ra kết quả là topo mạng thể hiện đầy đủ các thành phần mong muốn cùng với file trace result chứa đầy đủ thông tin về các quá trình truyền tải dữ liệu giữa các thành phần mạng đó gồm băng thông hệ thống, tốc độ, thông lượng. Bằng việc phân tích file trace result có thể xây dựng nên các đồ thị trực quan về kết quả mô phỏng.
• Định dạng của file trace result
Định dạng của file trace result được thể hiện như trên.Trong đó - enqueue : gói đến.
- dequeue : gói chờ. - drop : gói bị mất.
- receive : gói được nhận. - scr addr : node nguồn. - dst addr : node đích. - pkt type : loại packet. - pkt size : kích thước gói. - pkt id : packet identity.
3.3.1.2 Module Eurane
Sử dụng Module Eurane để hỗ trợ thư viện cho NS2 có thể mô phỏng mạng vô tuyến UMTS và HSDPA.Module Eurane sẽ bổ sung thêm các node vào thư viện đã có sẵn của NS2: đó là các node RNC, BS(Node B), UE, SGSN và GGSN . Các node mới này được hỗ trợ thêm 4 kênh truyền tải bao gồm : kênh truyền tải chung FACH và RACH, kênh truyền tải riêng DCH và kênh đường xuống tốc độ cao dùng chung HS-DSCH. Ngoài ra, Eurane cũng bổ sung thêm giao diện vô tuyến Iub giữa UE và node B mà NS2 không hỗ trợ.
3.3.1.3 Network Analyzer for Network Simulator ( Nans)
Sử dụng Nans phân tích file trace result ( out.tr ) để tạo ra các đồ thị trực quan về kết quả mô phỏng. Để sử dụng được Nans, Ubuntu cần phải được cài đặt java development toolkit. Quá trình phân tích thông tin chứa trong file trace result được thực hiện trong Nans thể hiện như sau:
- Trace File : nhập file trace result vào. - Read File : đọc file trace.
- Tokenize : lưu thông tin trong trace file vào mảng tạm thời, rồi phân chia thông tin vào các token dựa vào các trường trong định dạng của trace file. - Find Different Connections : phân biệt các trường thông tin và hiển thị
chúng trong list box.
- Call to collect data : gọi các method sau dựa trên thông số lựa chọn.
Calculate sequence number data: gồm
+ Collect sequence number data : thu thập dữ liệu để tính toán sequence number data và lưu vào file tạm.
+ Display sequence number data : sử dụng file tạm tạo ra để vẽ đồ thị.
Calculate delay data: gồm + Collect delay data. + Display delay data.
Calculate RTT data gồm + Collect RTT data. + Display RTT data.
Calculate throughtput (one way delay ) data gồm + Collect throughtput (one way delay ) data. + Display throughtput (one way delay ) data.
Calculate throughtput ( RTT ) data gồm + Collect throughtput ( RTT ) data. + Display throughtput ( RTT ) data.
3.3.2 Các tham số phục vụ quá trình mô phỏng
[5] Trong đó:
• PTx :công suất phát của Node B
• Ltotal : tổng suy hao khoảng cách và fading đa đường Với suy hao khoảng cách
L(d) = Linit + 10.n.log10(d) [5]
Với d(Km): khoảng cách giữa Node B và UE Linit : suy hao khoảng cách trên 1 Km n : chỉ số phụ thuộc môi trường
• Iintra , Iinter : nhiễu bên ngoài và bên trong cell
- CQI chỉ số chất lượng kênh xác định kích cỡ khối truyền TBS ( Transfer Block Size) , CQI được tính toán tại khối Quality Estimation của UE một cách gần đúng
[4]
Ước lượng CQI thường mất một khoảng thời gian trễ nhất định, đặt CQIdelayTTI = 3
- Mối tương quan giữa BLER và SNR qua chỉ số CQI xác định thể hiện qua hình sau:
Hình 3.1: BLER ứng với SNR
SNR có thể xác định dựa vào BLER và CQI theo công thức
SNR= . ( 1) 1.03* 17.3 2 3 0.7 10 10 log log − + − − − CQI CQI BLER [7]
Dựa vào công thức này ứng với dãy giá trị CQI từ 1- 30, SNR được tính thành một ma trận giá trị có 30 cột và 1000 hàng, ma trận SNRBLERMatrix.
Từ ma trận này lấy ra giá trị SNRmin sử dụng để so sánh với SNRtotal tính toán tại UE.Thông qua xử lý HARQ với kết hợp mềm nên giá trị SNRtotal (SNRN) tính được là tổng của các lần phát một khối theo công thức:
SNRN = ∑ = N n snrn 1 10 10 10 log * 10 [4] Trong đó: snr1 = SNR(t) = SNR ( SNR được tính như trên)
snr2 = SNR(t+1*HARQcycle) snr3 = SNR(t+2*HARQcycle) Chọn HARQcycle = 6.
Nếu SNRtotal ≥SNRmin thì ACK được phát, truyền khối đó hoàn thành. Mặt khác, SNR<SNRmin thì NACK được phát và khối đó được truyền lại.
3.3.3 Quá trình mô phỏng3.3.3.1 Thiết lập mô phỏng 3.3.3.1 Thiết lập mô phỏng
Mô phỏng được thiết lập cho 4 UE trong môi trường thành thị với đường truyền đều cách node B 500m nhưng di chuyển với tốc độ khác nhau ứng với môi trường truyền dẫn khác nhau :
UE1 : người đi bộ với tốc độ 3km/h.
UE2 : người di chuyển bằng xe đạp với tốc độ 10km/h.
UE3 : người di chuyển bằng xe máy với tốc độ 50km/h.
UE4 : người di chuyển bằng phương tiện tốc độ cao 120km/h. Xét đến các kiểu lập biểu khác nhau , đánh giá thông lượng của các UE . Quá trình thực hiện mô phỏng gồm các bước như sau:
Thiết lập các thông số cho các UE
Tạo các node mạng UE, node B, RNC, SGSN, GGSN, node 8, node 9.
Thiết lập TCP và FTP để truyền gói giữa các node mạng.
Thiết lập trace các UE. Xuất ra nam
Thiết lập cấu hình cho kênh truyền HS- DSCH.
Tạo các file mô phỏng. Lựa chọn môi trường mô phỏng.
Thiết lập liên kết giữa các node với nhau, các thông số đường truyền và cấu hình giao diện Iub.
3.3.3.2 Thực hiện mô phỏng
Sử dụng Matlab để tạo các file input cho quá trình mô phỏng trong NS2. MatLab sẽ tạo ra một cửa sổ để chọn môi trường cần mô phỏng. Các môi trường mô phỏng bao gồm:
Chọn môi trường mô phỏng và chọn các thông số như sau :
Sau khi thiết lập các thông số đầu vào, thu được file input chứa các giá trị như sau:
File input có thể coi là một ma trận có số hàng là số TTI ( Transfer Time Interval:TTI=2ms ) và có 4 cột:
Cột 1 : Công suất thu được trong lần phát đầu P(t) = SNR1(t)
Cột 2 : Công suất thu được trong lần phát lại thứ 1 P1(t) = SNR2(t)
Cột 3 : Công suất thu được trong lần phát lại thứ 2 P2(t) = SNR3(t)
Cột 4 : chứa giá trị CQI
Sau khi chạy code mô phỏng trong NS 2 thu được mô hình mạng được thể hiện như sau:
Hình 3.2: Mô hình mạng Trong đó : • Node 0 : RNC • Node 1 : Node B • Node 2 : UE 1 • Node 3 : UE 2 • Node 4 : UE 3 • Node 5 : UE 4 • Node 6 : SGSN • Node 7 : GGSN
• Node 8 , node 9 : Mạng ngoài.Ví dụ là Internet.
Trong sơ đồ mạng được mô phỏng thì gói tin từ mạng ngoài đến GGSN → SGSN → RNC tới node B rồi từ node B gói tin được truyền đến các UE trên kênh truyền dẫn chia sẽ HS-DSCH.
3.3.3.3 Vẽ đồ thị
Sau quá trình thực hiện mô phỏng trên NS2, sẽ thu được một file out.tr, file này chứa thông tin về băng thông hệ thống, tốc độ, thông lượng... Bằng việc phân tích file out.tr có thể xây dựng nên các đồ thị trực quan về kết quả mô phỏng.
Sử dụng công cụ Nans để xây dựng các đồ thị, qua đó phân tích, đánh giá kết quả thu được.
Xét kiểu lập biểu tỷ số tín hiệu trên nhiễu cực đại (max-C/I)
Hình 3.3: kết quả kiểu lập biểu tỷ số tín hiệu trên nhiễu cực đại (max-C/I)
Thông lượng trung bình lần lượt của 4 UE : - UE1 : 8,474Mbps
- UE2 : 4,023Mbps - UE3 : 3,930Mbps - UE4 : 1,484Mbps
Xét lập biểu quay vòng
Hình 3.4: kết quả kiểu lập biểu xoay vòng
Thông lượng trung bình lần lượt của 4 UE : - UE1 : 6,672Mbps
- UE2 : 2,896 Mbps - UE3 : 3,296Mbps - UE4 : 1,989Mbps
Xét lập biểu công bằng tỉ lệ
Hình 3.5: kết quả kiểu lập biểu công bằng tỉ lệ
Thông lượng trung bình lần lượt của 4 UE : - UE1 : 6,700Mbps
- UE2 : 4,298 Mbps - UE3 : 3,552Mbps - UE4 : 2,984Mbps
3.3.3.4 Nhận xét
Từ UE1 đến UE4 có tốc độ di chuyển tăng dần ứng với môi trường khác nhau khi truyền dữ liệu gói.Ta thấy rằng thông lượng của các UE nhận được giảm dần khi tốc độ di chuyển tăng dần hay nói cách khác thông lượng giảm dần khi điều
kiện kênh truyền xấu dần ( các UE nhận được dữ liệu đảm bảo được tỉ lệ BLER như đã trình bày ở trên ). Xét thông lượng các UE nhận được có quan tâm đến các kỹ thuật lập biểu khác nhau :
Lập biểu dựa trên tỷ số tín hiệu trên nhiễu cực đại : thông lượng trung bình nhận được của các UE chênh lệch qua lớn, không đảm bảo yêu cầu công bằng chất lượng dịch vụ cung cấp.
Lập biểu quay vòng : thông lượng trung bình nhận được của các UE chênh lệch ít hơn, đảm bảo được tính công bằng của các user nhưng mặt trái lại làm giảm tổng hiệu năng của hệ thống
Lập biểu công bằng tỉ lệ : đảm bảo được tính công bằng giữa các user cũng như tổng hiệu năng của hệ thống.
3.4 Mô phỏng mã Turbo 3.4.1 Gới thiệu
Mục này trình bày mô phỏng mã Turbo PCCC với tốc độ 1/2 và 1/3 tuỳ theo sự lựa chọn kỹ thuật xoá hay là không. Thuật toán giải mã Turbo được chọn là thuật toán SOVA.
Chạy chương trình với các thông số đầu vào khác nhau về kích thướt khung, kỹ thuật xóa, số lần lặp mỗi khung, số khung bị lỗi để kết thúc và tí số năng lượng trên nhiễu để có những kết quả cuối cùng về tỉ lệ lỗi bit(BER) và tỉ lệ lỗi khung(FER) từ đó có những nhận xét về mã Turbo.
3.4.2 Chương trình mô phỏng
Đúng
Sai
Bắt Đầu
Chọn kích thước khung Chọn kỹ thuật xoá hay không Chọn số lần lặp mỗi khung Chọn số khung lôĩ để kết thúc Chọn tỷ lệ năng lượng Đếm lỗi Đếm lỗi < giới hạn lỗi Mã hoá Kết thúc Hiển thị BER Hiển thị FER Cộng nhiễu Gauss Giải mã TC
3.4.2.2 Kết quả mô phỏng với các lần thực hiện khác nhau
Chạy chương trình main.m với các thông số đầu vào như sau:
3.4.2.2.1 Thông số đầu vào
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Lần 6 Lần 7 Kích thướt
khung
300 300 300 300 300 1000 1500
Kỹ thuật xóa Có Có Không Không Có Không Có
Số lần lặp mỗi khung 5 8 5 5 5 5 7 Số khung bị lỗi để kết thúc 5 5 5 5 5 5 3 Eb/No(dB) 2 2 2 2.5 2.5 2.5 2.5 3.4.2.2.2 Kết quả mô phỏng Lần 1 ******************Eb/N0 = 2.00 db****************** Kich thuoc khung = 300, rate 1/2.
13 Khung da trao doi , 5 Khung bi loi. Ti le loi bit (Tu lan lap 1 cho den 5):
3.0976e-002 1.2648e-002 6.7114e-003 4.1301e-003 3.3557e-003
Ti le loi khung (Tu lan lap 1 cho den 5):
9.2308e-001 5.3846e-001 3.8462e-001 3.8462e-001 3.8462e-001
Kich thuoc khung = 300, rate 1/2. 33 Khung da trao doi , 5 Khung bi loi. Ti le loi bit (Tu lan lap 1 cho den 8):
2.9388e-002 1.5863e-002 9.1519e-003 7.1182e-003 5.4912e-003 4.8810e-003 4.6776e-003 3.7625e-003 Ti le loi khung (Tu lan lap 1 cho den 8):
8.1818e-001 3.6364e-001 3.0303e-001 2.7273e-001
2.1212e-001 1.5152e-001 1.5152e-001 1.5152e-001
Lần 3 ****************** Eb/N0 = 2.00 db ***************** Kich thuoc khung = 300, rate 1/3.
165 Khung da trao doi , 5 Khung bi loi. Ti le loi bit (Tu lan lap 1 cho den 5):
2.1944e-002 2.9693e-003 1.5253e-003 1.2406e-003 8.3384e-004
Ti le loi khung (Tu lan lap 1 cho den 5):
7.8788e-001 2.0606e-001 6.6667e-002 5.4545e-002
3.0303e-002
Lần 4 *******************Eb/N0 = 2.50 db***************** Kich thuoc khung = 300, rate 1/3.
525 Khung da trao doi , 5 Khung bi loi. Ti le loi bit (Tu lan lap 1 cho den 5):
1.0093e-002 1.0355e-003 3.5794e-004 2.1093e-004 9.5877e-005
Ti le loi khung (Tu lan lap 1 cho den 5):
5.6000e-001 7.8095e-002 3.2381e-002 1.5238e-002 9.5238e-003
Lần 5 ****************** Eb/N0 = 2.50 db ***************** Kich thuoc khung = 300, rate 1/2.
69 Khung da trao doi , 5 Khung bi loi. Ti le loi bit (Tu lan lap 1 cho den 5):
1.2450e-002 3.5502e-003 1.5563e-003 1.5563e-003 1.1672e-003
Ti le loi khung (Tu lan lap 1 cho den 5):
6.5217e-001 1.7391e-001 8.6957e-002 8.6957e-002 7.2464e-002
Lần 6 ****************** Eb/N0 = 2.50 db ***************** Kich thuoc khung = 1000, rate 1/3.
979 Khung da trao doi , 5 Khung bi loi. Ti le loi bit (Tu lan lap 1 cho den 5):
8.7724e-003 2.9477e-004 5.4245e-005 3.0705e-005 1.7399e-005
Ti le loi khung (Tu lan lap 1 cho den 5):
9.1420e-001 8.7845e-002 1.9408e-002 1.1236e-002
5.1073e-003
Lần 7 **************** Eb/N0 = 2.50 db ****************** Kich thuoc khung = 1500, rate 1/2.
309 Khung da trao doi , 3 Khung bi loi. Ti le loi bit (Tu lan lap 1 cho den 7):
1.3023e-002 1.2249e-003 3.2406e-004 1.5987e-004 7.5613e-005 5.8330e-005 4.3208e-005
Ti le loi khung (Tu lan lap 1 cho den 7):
1.0000e+000 3.7217e-001 1.0680e-001 3.2362e-002 2.5890e-002 1.6181e-002 9.7087e-003
Hình 3.6: Kết quả lần 1
Hình 3.8: Kết quả lần 3
Hình 3.10: Kết quả lần 5
Hình 3.12: Kết quả lần 7
3.4.3 Nhận xét
Số lần lặp mỗi khung càng lớn thì tỷ lệ lỗi bit và tỷ lệ lỗi khung đều giảm. Điều này là do sau khi thông tin được chia sẽ giữa các bộ giải mã sẽ có nhiều thông tin về ngõ vào hơn vì vậy có thể đưa ra những quyết định chính xác hơn. Tuy nhiên khi số lần lặp càng lớn thì mức độ giảm lại nhỏ lại, tức là mã Turbo đạt đến ngưỡng sau vài lần lặp. Điều này là do sau các lần lặp đầu tiên bộ giải mã đã lấy gần hết thông tin của ngõ vào và do đó nó không cho ở ngõ ra nhiều giá trị biến đổi nữa như trong các lần lặp đầu tiên. Nếu số lần lặp vượt qua ngưỡng thì các lần lặp sau không đem đến thông tin khác hơn đến các bộ giải mã.
Khi không dùng kỹ thuật xóa thì tỷ lệ lỗi bit thấp hơn so với khi dùng kỹ thuật xóa. Điều này là hợp lí bởi vì khi không dùng kỹ thuật xóa thì tương ứng với một bit thông tin đầu vào sẽ có nhiều bit parity chẵn lẻ hơn, điều đó làm giảm khả năng mắc lỗi của bộ giải mã.
3.4.4 Kết luận chương
Chương 3 đã trình bày mô phỏng để thấy được thông lượng của UE ứng với các xử lý lập biểu khác nhau, qua đó ta thấy hiệu quả của HSDPA trong việc thích ứng với các điều kiện đường truyền khác nhau để cung cấp tốc độ dữ liệu phù hợp cho UE. Chương cũng mô phỏng mã Turbo để tính lỗi bit và lỗi khung. Qua đó ta nhận thấy được hiệu quả của mã Turbo trong việc sửa lỗi và giảm lỗi sai.
thiệu công nghệ HSDPA được phát triển dựa trên công nghệ W-CDMA sử dụng các kỹ thuật điều chế và mã hóa thích ứng, HARQ, lập lịch gói phụ thuộc kênh. Từ đó ta nhận thấy được hiệu quả của HSDPA trong việc thích ứng với các điều kiện đường truyền để cung cấp cho UE tốc độ phù hợp, cũng như thấy được ưu điểm vượt trội về tốc độ và thông lượng trong HSDPA. Đề tài cũng tìm hiểu về mã Turbo, mô phỏng để thấy rõ hiệu năng của mã Turbo trong việc giảm khả năng mắc lỗi trong quá trình giải mã.
Tuy nhiên đồ án chỉ mới đi vào mô phỏng một số module của hệ thống