2.5.1. Thuật toán sắp xếp dữ liệu trong LTE
Thuật toán xắp xếp dữ liệu trong LTE
Hình 2. 13. Cấu trúc một khối tài nguyên trong LTE
Chiều dài khung mặc định của một khối tài nguyên là 10ms. Bao gồm 20 Subframe, mỗi subframe có độ dài 0.5ms. Mỗi subframe lại chia nhỏ thành 2 slot. Mỗi slot bao gồm khối tài nguyên (resource block), mỗi khối tài nguyên bao gồm 12 sóng mang phụ với khoảng cách là 15kHz và 7 OFDM symbols. Nhƣ vậy một khối tài nguyên sẽ bao gồm 84 ô tài nguyên (resource element).
73
Hình 2. 14. Khối tài nguyên với 12 sóng mang phụ và 7 OFDM symbols
Mục đích tối đa hóa dung lƣợng hệ thống trong khi đó vẫn đảm bảo tính công bằng trong cấp phát tài nguyên giữa những ngƣời sử dụng.
Một sự phân bố với gain cao hơn chỉ ra rằng thiết bị ngƣời dùng có thể truyền nhiều dữ liệu hơn sử dụng kiểu điều chế và mã hóa với tốc độ cao hơn trên sóng mang thành phần đã đƣợc phân phối và có có tốc độ truyền trung bình thấp hơn trên tổng thời gian tích lũy. Sau đó lặp lại sự phân phối gain cao nhất đƣợc chọn tận tới khi tất cả các thiết bị ngƣời dùng đƣợc phân phối sóng mang thành phần với tốc độ mã hóa và điều chế hoặc không có sự phân phối tốt nhất nào đƣợc tìm thấy. Thuật toán này đƣợc trình bày một cách tổng quan nhƣ sau [16]:
a. Tốc độ điều chế cao nhất đƣợc sử dụng bởi thiết bị ngƣời dùng ở trong mỗi khối tài nguyên
RB1 RB2
UE1 3 2
UE2 2 3
b. Cả hai RB đều đƣợc giao cho ngƣời dùng 1
RB1 RB2
Assigned UE 1 1
Associated MCS 2 2
c. MCS3 đƣợc phân phối lại cho ngƣời dùng 2
RB1 RB2
Assigned UE 1 2
74
d. MCS3 đƣợc phân phối lại cho ngƣời dùng 1
RB1 RB2
Assigned UE 1 2
Associated MCS 3 3
Thuật toán sẽ đƣợc mô tả cụ thể sau đây[16].
Kí hiệu Định nghĩa
i Chỉ số thiết bị ngƣời dùng, i є M ={1,…,m} j Chỉ số sóng mang thành phần j є N ={1,…,n} k Chỉ số khối tài nguyên j є P ={1,…,p}
l Chỉ số điều chế và mã hóa l є Q ={1,…,q}
t TTI
rl Tốc độ truyền đạt đƣợc của thiết bị trên khối tài nguyên với một kiểu điều chế và mã hóa l
Qi,j,k Tốc độ điều chế và mã hóa cao nhất mà thiết bị ngƣời
dùng I đạt đƣợc trên khối tài nguyên k và sóng mang tích hợp j
wi Trọng số ƣu tiên của thiết bị ngƣời dùng i
xi,j,k,l Một chỉ số để chỉ ra rằng có hoặc không khối tài
nguyên k của sóng mang tích hợp j với kiểu điều chế và mã hóa l có đƣợc phân phối cho ngƣời dùng I hay không.
ri,j,k,l Tốc độ truyền đạt đƣợc của ngƣời dùng I trên khối tài
nguyên k của sóng mang thành phần j với kiểu điều chế và mã hóa l.
U Tập hợp tất cả các cặp(i,j) có thể phân phối của sóng mang thành phần tới ngƣời dùng i
V(j,k) Trọng số tốc độ truyền của ngƣời dùng hiện tại đƣợc phân phối trên khối tài nguyên k và sóng mang thành phần j
v(i,j,k,l) Trọng số tốc độ truyền của ngƣời dùng i trên khối tài nguyên k của sóng mang thành phần j với kiểu điều chế mã hóa l
g(i,j,l) Độ lợi của phân phối sóng mang thành phần j với kiều điều chế và mã hóa l cho ngƣời dùng i.
Ni,j Tập hợp khối tài nguyên của sóng mang thành phần đƣợc phân phối ngƣời dùng i.
75
Lƣu đồ thuật toán U=U
i,j, V=0
Tính trọng số tốc độ truyền của ngƣời dùng v(i,j,k,l)= wi*ri,j,k,l
g
Tính toán độ lợi của việc phân phối sóng mang tích hợp cho ngƣời dùng i
G= ∑max(0, v(I,j,k,l)- V(j,k))
Phân phối sóng mang tích hợp with MCS cho ngƣời ngƣời dùng đạt độ lợi lớn nhất
v(i*,j*,k,l*)> V(j*,k)
Phân phối lại tài nguyên cho ngƣời dùng có trọng số tốc độ truyền cao hơn
G(i*) max
Phân phối tốc độ sóng mang tích hợp cao nhất với ngƣời dùng
Xắp xếp xong dữ liệu ngƣời dùng i*
Kết thúc Đúng Sai
76
2.5.2 Thuật toán TF-BMA
Trong các thuật toán sắp xếp dữ liệu đã nghiên cứu từ trƣớc tới nay chỉ tuân theo một quy tắc sắp xếp dữ liệu theo chiều thời gian rồi tới chiều tần số hoặc ngƣợc lại. Các thuật toán trên chỉ chú ý vào giải quyết vấn đề làm thế nào để sắp xếp nhiều nhất dữ liệu vào khung đƣờng xuống sao cho vùng trống còn lại là nhỏ nhất để nâng cao hiệu năng sử dụng khung. Các vấn đề nhiễu đồng kênh, vấn đề tranh chấp tài nguyên giữa các khối chƣa đƣợc chú ý tới.
Hình 2. 15. Các vùng trống khi sắp xếp các khối dữ liệu vào khung OFDMA Các vấn đề cần giải quyết là:
-Vấn đề nhiễu đồng kênh
-Vấn đề về tranh chấp tài nguyên vô tuyến: Khi xét đến ảnh hƣởng của nhiễu đồng kênh nói riêng cũng nhƣ các loại nhiễu ƣu khác và suy giảm nói chung, sẽ xảy ra trƣờng hợp một số MS cùng tranh chấp một vài kênh truyền tốt trong một khung đƣờng xuống. Nhƣ vậy với một kênh con xác định, câu hỏi đặt ra là cần phải ghép khối dữ liệu của MS nào để nâng cao hiệu suất sử dụng kênh. Nhƣ đƣợc minh họa trên Hình 2.16, do ảnh hƣởng của nhiễu nên trạng thái các kênh con {s1, s2, s3, s4} đối với MS1và MS2 là khác nhau, tuy nhiên kênh cons1 đều là tốt nhất với cả hai.
77
Trong thí dụ, MS1 và MS2 đều tranh chấp 2 khe{s1,t1}, {s1,t3} . Khối sắp xếp dữ liệu phải chọn SDU của MS1 hoặc MS2 để dung lƣợng kênh truyền đƣợc tối.
Hình 2. 16. Tranh chấp kênh con giữa hai MS trong khung OFDM-TDD Sau đây tôi xin trình bày thuật toán TF-BMA để giải quyết hai vấn đề trên.
78 Tính bảng điều chế của MS đƣợc chọn để sắp xếp. Chỉ có 1 MS đạt max trên kênh k Bắt đầu Tính số ngƣời đạt max trên kênh k
Sắp xếp dữ liệu vào khung
S = tổng chiều dài dữ liệu của n MS đạt max trên kênh k
S <= chiều dài dữ liệu của kênh k MS i là MS tốt nhất đú ng đú ng Sai Sai đú ng
79
Bƣớc 1: Đối với mỗi ngƣời sử dụng ta lập một bảng các mức điều chế trên các kênh dựa vào điều kiện kênh truyền. Giả thiết trạm gốc BS nắm đƣợc trạng thái kênh truyền của tất cả các MS nằm trong vùng quản lý của nó.
Hình 2. 17. Bảng các mức điều chế trên các kênh của hai MS
Cột ngang là các kênh truyền dẫn, côt dọc là các mức điều chế. Trên mỗi kênh truyền do biết đƣợc trạng thái kênh nên ta có thể đƣa ra mức điều chế phù hợp dựa vào tỷ số SNR của mỗi kênh.Mỗi ngƣời sử dụng có một bảng thể hiện các mức điều chế trên tất cả các kênh.
Bƣớc 2:
Xét trên kênh đầu tiên, tìm ngƣời sử dụng có mức điều chế cao nhất trên kênh đầu tiên trong tất cả những ngƣời sử dụng.Có hai trƣờng hợp xảy ra:
80
-TH1: Chỉ có một ngƣời sử dụng đạt mức điều chế trên kênh 1
Hình 2. 18. Xếp dữ liệu khi chỉ có môt MS đạt max trên kênh -TH2: Có từ hai ngƣời đạt max trên kênh 1
Khi có nhiều ngƣời cùng đạt max trên kênh 1 tức là xảy ra tranh chấp kênh giữa những ngƣời sử dụng này. Lúc này cần giải quyết vấn đề tranh chấp kênh. Giả sử chỉ có 2 ngƣời đạt max trên kênh 1. Tính độ dài dữ liệu của hai ngƣời dùng này. +Nếu tổng chiều dài dữ liệu của hai ngƣời sử dụng mà nhỏ hơn chiều dài vùng dữ liệu của kênh 1 thì ta xếp cả hai ngƣời vào kênh 1.Hình vẽ dƣới đây mô tả việc sắp xếp dữ liệu của cả hai ngƣời sử dụng vào kênh 1
81
+Trong trƣờng hợp tổng chiều dài dữ liệu của hai ngƣời sử dụng lớn hơn chiều dài dữ liệu của kênh 1 còn lại thì:
• Trƣờng hợp 1: Sắp xếp dữ liệu của ngƣời dùng 1 vào vị trí đầu tiên, dữ liệu của ngƣời dùng 2 vào vị trí tiếp theo.Một điểm lƣu ý rằng một khối dữ liệu chỉ đƣợc điều chế ở một mức trên tất cả các kênh, do đó khi khối dữ liệu không xếp vừa kênh một thì khi chuyển xuống xếp ở kênh 2 thì khôi dữ liệu đó phải có mức điều chế là mức thấp trong hai mức điều chế ở hai kênh đó.
64 QAM 64 QAM 64 QAM 64 QAM 64 QAM 64 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 n User1 User2 6 bit 5 bit
Hình 2. 20. TH1 xếp dữ liệu khi chỉ có hai MS đạt max trên kênh. + Tính toán số bít trung bình truyền trên 1 ô trong trƣờng hợp này:
M1i =
Trong đó A: số ô dữ liệu mà MS1 chiếm
B: số dữ liệu mà MS2 chiếm
82
b: số bit ứng mới mức điều chế của MS2
• Trƣờng hợp 2: Sắp xếp dữ liệu của ngƣời dùng 2 vào vị trí đầu tiên, dữ liệu của ngƣời dùng 1 vào vị trí tiếp theo.
64 QAM 64 QAM 64 QAM 64 QAM 64 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 32 QAM 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 n User2 User1 6 bit 5 bit
Hình 2. 21. TH2 xếp dữ liệu khi chỉ có hai MS đạt max trên kênh. +Tính toán số bít trung bình truyền trên 1 ô trong trƣờng hợp này:
M2i =
Trong đó A: số ô dữ liệu mà MS2 chiếm
B: số dữ liệu mà MS1 chiếm
a: số bit ứng mới mức điều chế của MS2 b: số bit ứng mới mức điều chế của MS1
- So sánh số bít trung bình truyền đƣợc trên một slot trong trƣờng hợp 1 và trƣờng hợp 2,tức là so sánh M1i, M2i. Chọn cách sắp xếp nào có số bít trung bình trên một ô lớn hơn.
83
CHƢƠNG 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA THUẬT TOÁN LẬP LỊCH VÀ SẮP XẾP DỮ
LIỆU
3.1 Mô phỏng trong thuật toán lập lịch và ánh xạ trong LTE 3.1.1. Thuật toán lập lịch 2 bƣớc trong LTE [18] 3.1.1. Thuật toán lập lịch 2 bƣớc trong LTE [18]
3.1.1.1. Các bƣớc thực hiện
Bƣớc 1: Tính toán cửa sổ thời gian β và thực hiện tất cả các phép toán trong đó. Bƣớc 2: Lấy phản hồi chất lƣợng kênh và quyền ƣu tiên sóng mang của các luồng Bƣớc 3: Tính toán các chỉ số quyết định của từng luồng
Bƣớc 4: Tìm kiếm các luồng có thể đƣợc lập lịch bằng cách loại bỏ các luồng đã đƣợc lập lịch trƣớc đó trong β.
Bƣớc 5: Tìm kiếm giá trị lớn nhất trong thiết lập chỉ số quyết định và luồng tƣơng ứng
Bƣớc 6: Lập lịch luồng cho khối tài nguyên tƣơng ứng và loại bỏ luồng đó cho các khối tài nguyên tiếp theo cho đến khi lập lịch xong tất cả các luồng.
Bƣớc 7: Tiếp tục thực hiện các bƣớc này cho đến khi hoàn thành lập lịch tất cả các luồng.
Bƣớc 8: Đối với khối tài nguyên còn lại chƣa sử dụng, lặp lại từ bƣớc 5 bằng cách xem xét tất cả các luồng.
84
Bắt đầu
Nhận giá trị β, CQI (Chỉ số chất lƣợng kênh và quyền ƣu tiên các sóng mang của ngƣời dùng
Tính toán các chỉ số quyết định của ngƣời dùng
Chọn ngƣời dùng có thể đƣợc lập lịch
Lập lịch ngƣời dùng có chỉ số quyết định cao nhất và bỏ qua ngƣời dùng này cho các khối tài nguyên (RB) tiếp theo.
Lập lịch ngƣời dùng tiếp theo có chỉ số quyết định cao nhất và loại bỏ ngƣời dùng này cho các khối tài nguyên (RB) tiếp theo
Lập lịch ngƣời dùng tiếp theo có chỉ số quyết định cao nhất và loại bỏ ngƣời dùng này cho các RB tiếp theo
Lập lịch ngƣời dùng có chỉ số quyết định cáo nhất và loại bỏ ngƣời dùng này cho các RB tiếp theo
Lập lịch tất cả ngƣời dùng trong β? Vβ đã đƣợc hoàn thành hay chƣa? Có RB trống nào còn lại chƣa đƣợc sử dụng? Chƣa lập lịch Đã lập lịch Đã hoàn thành Chƣa hoàn thành Không có Không có Có Kết thúc
85
3.1.1.2. Thông số mô phỏng hệ thống
Sự phân phối luồng lƣu lƣợng trong mô tả[18] User1 Tín hiệu IMS
User2 Thoại
User3 Chơi game online User4 Live streaming User5 Buffer streaming User6 FTP
User7 Game tƣơng tác User8 Http
User9 Xử lý video User10 Game tƣơng tác User11 Xử lý video User12 Buffer streaming
Bảng 7. Thông số mô phỏng thuật toán lập lịch LTE
3.1.1.3. Kết quả và đánh giá
Trong hình và hình thì thông lƣợng và khối tài nguyên của ngƣời sử dụng 1 luôn đƣợc ƣu tiên. Chúng ta có thể thấy thuật toán lập lịch này đã cải thiện hơn so với hai thuật toán còn lại. Tất cả các thông số về thông lƣợng đều đạt giá trị cao hơn cho tới khi số ngƣời dùng đạt giá trị lớn nhất. Ngƣời dùng đầu tiên đƣợc lập lịch thì luôn có một trọng số ƣu tiên cao nhất, do đo trong các phiên lập lịch tiếp thì nó cũng luôn đƣợc ƣu tiên so với các ngƣời sử dụng khác cho tới khi số lƣợng ngƣời dùng đạt mức lớn nhất, điều này có lợi là khi chúng ta muốn ƣu tiên một dịch vụ nào đó chúng ta có thể đặt mức ƣu tiên của nó với ngƣời dùng đó tốt nhất, khi đó dữ liệu của ngƣời dùng đó sẽ đƣợc truyền đi ổn định trong một khoảng thời gian nhất định. Với thuật toán PF thì khi lập lịch chỉ chú ý về điều kiện kênh và tính công bằng nhƣng khi có nhiều ngƣời sử dụng yêu cầu cấp phát tài nguyên thì tài nguyên của ngƣời sử dụng 1 không đƣợc đảm bảo. Thuật toán lập lịch này có ƣu điểm là sau khi phục vụ tất cả các ngƣời sử dụng thì nó sẽ lập lịch lại dựa trên chỉ số quyết định tốt nhất. Ngƣời sử dụng 1 có chỉ số bearer tốt nhất thì luồng lƣu lƣợng của ngƣời dùng 1 sẽ đƣợc đảm bảo hơn các luồng tài nguyên khác. Trong kết quả mô phỏng có thể nhận thấy số lƣợng khối tài nguyên của ngƣời dùng 1 luôn đƣợc giữ ở mức cao, do đó thông lƣợng luôn đạt mức cao cho tới khi có tối đa ngƣời sử dụng đƣợc lập lịch.
86
Hình 3. 1. Số lƣợng khối tài nguyên ngƣời sử dụng tốt nhất[18]
Hình 3. 2. Thông lƣợng ngƣời sử dụng tốt nhất[18].
Hình chỉ ra thông lƣợng qua toàn cell đạt đƣợc. Thông lƣợng này đƣợc cải thiện hơn so với thuật toán PF và Round Robin khi ngƣời sử dụng trong cell ít. Khi ngƣời sử dụng lớn dần lên thì thông lƣợng giảm dần do độ ƣu tiên. Khi ngƣời sử dụng lớn lên thì đặc quyền của ngƣời sử dụng sẽ giảm dần. Trong mô phỏng thì thông lƣợng đƣợc giữ ở mức tốt hơn cho tới khi chỉ số quyết định tốt nhất về giá trị 0.
87
Hình 3. 3. Thông lƣợng qua cell[18]
- Tính công bằng
Hình 3. 4. So sánh tính công bằng của thuật toán so với PF và Round robin[18]
Đối với thuật toán trong mô phỏng thì có tính công bằng không cao bằng thuật toán lập lịch Round Robin và PF khi số lƣợng ngƣời sử dụng trong cell chƣa tăng
88
tới mức tối đa. Lý do của việc không công bằng này là vì khi lập lịch theo phƣơng pháp này thì mỗi user có một chỉ số ƣu tiên khác nhau trong suốt quá trình lập lịch, mà nói đúng hơn là có chỉ số ƣu tiên về loại dịch vụ. Trong quá trình lập lịch thì ngƣời dùng 1 luôn luôn đƣợc ƣu tiên truyền với tốc độ cao nhất cho tới khi số lƣợng