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 ngƣời sử dụng trong cell đạt max là 12. Khi số lƣợng ngƣời đạt cao nhất thì tính công bằng của thuật toán đạt ngang bằng với thuật toán Roud Robin.
3.1.2 Thuật toán sắp xếp dữ liệu trong LTE [16] 3.1.2.1. Các bƣớc tiến hành 3.1.2.1. Các bƣớc tiến hành
89
U=Ui,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
90 3.1.2.2. Thông số hệ thống Khoảng cách inter-site 500m Sóng mang thành phần 4x5 MHz S1(2GHz,2GHz, 2GHz, 2GHz) S2(800MHz,800MHz, 2GHz, 2GHz) Số lƣợng khối tài nguyên trên mỗi sóng
mang thành phần
25(12 subcarriers trên RB) Path loss L= l+37.6log10(R). R(km)
I= 128.1(2GHz), I=120.9(900MHz) Shadowing loss Nhiễu Gaussian
Multi path Jakes‟ model
MCS khả dụng 29
Số lƣợng thiết bị ngƣời dùng trên cell 10,20,30,40,50 Tốc độ thiết bị ngƣời sử dụng 1-15mps
Mô hình lƣu lƣợng Backlogged traffic model
TTI 1ms
Granularity of CSI feedback 100 TTIs Granularity of scheduling 1 TTI
Bảng 8. Thông số mô phỏng trong thuật toán sắp xếp dữ liệu LTE[16]
91
Hình 3. 5. Phân bố ngƣời dùng trong mô phỏng LTE
3.1.2.4. Kết quả mô phỏng và đánh giá 3.1.2.4.1 Thông lƣợng 3.1.2.4.1 Thông lƣợng
- Least load: Mỗi thiết bị ngƣời sử dụng đƣợc phân phối cho sóng mang thành phần mà có số lƣợng thiết bị sử dụng trên đó là ít nhất.
-Random: thiết bị ngƣời sử dụng đƣợc phân phối cho sóng mang thành phần một cách ngẫu nhiên.
92
Hình 3. 6. Mô phỏng thông lƣợng với kiểu phân bố Random [16]
Hình 3. 7. Mô phỏng thông lƣợng với kiểu phân bố Cell-Edge [16] 0 5 10 15 20 25 30 35 10 20 30 40 50 Th ô n g lưọ n g Số lượng user Random S2, Our scheme S2, LL+SS S2, RC+SS S1, Our scheme S1, LL+SS S1, RC+SS
93
Hình 3. 8. Mô phỏng thông lƣợng với kiểu phân bố Cell-center [16] Nhận xét:
- 50% thiết bị ngƣời dùng là LTE-A
- Thông lƣợng của least load và kiểu random không khác nhau nhiều.
- Khi thiết bị ngƣời sử dụng phân bố gần NodeB thì thông lƣợng đạt đƣợc sẽ lớn hơn nhiều so với ở xa nút.
- Thông lƣợng của kiểu mapping theo scheme [16] cải tiến hơn nhiều cả ở S1 và S2. - Khi mô phỏng theo scheme[16] thì thông lƣợng đạt cao hơn do có sự phân phối lại sóng mang thành phần với tốc độ điều chế và mã hóa cao hơn cho ngƣời sử dụng, do đó có thể truyền đƣợc nhiều bit hơn trong cùng một khoảng thời gian.
- Thông lƣợng qua một cell bị ảnh hƣởng bởi luồng lƣu lƣợng:
- Khi cell ít ngƣời dùng thì dữ liệu của ngƣời dùng sẽ đƣợc phân phối vào các khối tài nguyên có chất lƣợng kênh tốt do đó dẫn tới việc tăng thông lƣợng. Khi cell có nhiều ngƣời dùng hơn thì ít khối tài nguyên có chất lƣợng kênh tốt đƣợc phân cho ngƣời sử dụng, do đó dẫn tới thông lƣợng qua cell thấp. Điều này cho ta thấy thông lƣợng bị ảnh hƣởng bởi mật độ ngƣời dùng. Nhƣng ta thấy thông lƣợng tăng rất nhỏ khi mật độ ngƣời sử dụng tăng lên.
- Ở kịch bản S1 thì thông lƣợng cao nhất khi ngƣời dùng đạt mức 20, còn kịch bản S2 thì thông lƣợng đạt mức cao nhất khi ngƣời dùng ở mức 50 ngƣời dùng.
- Khi truyền đi ở tần số cao hơn thì sẽ tránh đƣợc path loss, do đó sẽ có nhiều ngƣời sử dụng đƣợc phân phối vào khối tài nguyên có chất lƣợng kênh tốt.
25 30 35 40 45 50 10 20 30 40 50 Th ro u gh p u t Số lượng người sử dụng Center-Edge S2, Our scheme S2, LL+SS S2, RC+SS S1, Our scheme S1, LL+SS S1, RC+SS
94
Kịch bản 2: Số lƣợng ngƣời sử dụng trong cell cố định nhƣng thiết bị ngƣời dùng LTE-A thay đổi.
Hình 3. 9. Thông lƣợng với kiểu phân bố Random với 10 user [16]
95
Hình 3. 11. Thông lƣợng với kiểu phân bố cell-center với 10 user [16]
96
Hình 3. 13. Thông lƣợng với kiểu phân bố cell-edge với 50 user [16]
Hình 3. 14. Thông lƣợng với kiểu phân bố cell-center với 50 user [16] Nhận xét:
- Thiết bị ngƣời sử dụng LTE Realse8/9 chỉ có thể có 1 sóng mang thành phần, trong khi đó thiết bị ngƣời sử dụng LTE-A có thể có 2 sóng mang thành phần.
97
- Thông lƣợng tăng lên khi thiết bị ngƣời sử dụng LTE-A trong một cell tăng lên. Điều này có nghĩa là thông lƣợng tăng lên khi thiết bị ngƣời sử dụng LTE-A tăng lên trong cell.
- Trong một cell thì tỷ lệ thiết bị LTE-A và thiết bị ngƣời sử dụng LTE realse 8/9 thay đổi liên tục, do đó có thể phân phối lại sóng mang thành phần có tốc độ điều chế và mã hóa cao hơn cho thiết bị ngƣời sử dụng trong mỗi chu kỳ.
3.1.2.4.2. Tính công bằng
98
Hình 3. 16. Tính công bằng với kiểu phân bố Cell-edge [16]
Hình 3. 17. Tính công bằng với kiểu phân bố Cell-center [16] Nhận xét:
- Thông lƣợng đƣợc mô phỏng trong scheme [16] cao hơn các cách sắp xếp tài nguyên khác khác nhƣng tính công bằng thì thấp hơn. Tính công bằng trong thuật
99
toán xắp xếp tài nguyên trong mô phỏng bao giờ cũng cao hơn các kiểu xắp xếp tài nguyên khác.
3.2. Mô phỏng tối ƣu trong Wimax 3.2.1. Sơ đồ khối 3.2.1. Sơ đồ khối
Hệ thống mô phỏng mạng WiMAX di động sử dụng phƣơng pháp đa truy nhập OFDMA phân chia theo thời gian TDD, các số liệu chuẩn hóa đƣợc lấy từ tài liệu của IEEE 820.16e-2005. Sơ đồ khối của hệ thống nhƣ hình dƣới:
100
3.2.2. Các bƣớc tiến hành mô phỏng
Bƣớc 1: Khởi tạo các tham số của hệ thống và cấp phát tài nguyên cho tất cả ngƣời dùng để thăm dò kênh truyền.
Bƣớc 2: Bộ lập lịch đƣa ra quyết định sẽ phục vụ m MS trong tổng số n MS yêu cầu.Bộ lập lịch sử dụng các thuật toán WFQ, PF, MAX-CINR, FRS để quyết định lập lịch. Dữ liệu cho MS 1 Multi_Path Fading Mô hình Pathloss Thêm khoảng bảo vệ Dữ liệu cho MS 2 Dữ liệu cho MS n Điều chế Điều chế Cấp phát kênh động Điều chế Dữ liệu cho MS k Thông tin về cấp phát kênh Thông tin về ảnh hƣởng kênh truyền Biến đổi IFFT Loại bỏ khoảng bảo vệ Lấy ra dữ liệu của ngƣời sử dụng k Biến đổi IFF Giải điều chế
101
Bƣớc 3: Ánh xạ dữ liệu ngƣời dùng vào khung. Đối với thuật toán quét ngang, ta sẽ lần lƣợt gán dữ liệu ngƣời dùng vào các Slot theo chiều ngang, từ trái qua phải, trên xuống dƣới.
3.1. Trong số m ngƣời đƣợc chọn để phục vụ ta chọn ra ngƣời đầu tiên đƣợc phục vụ dựa vào thuật toán TF-BMA
3.2. Loại bỏ ngƣời vừa đƣợc chọn ra khỏi bảng cấp phát yêu cầu.Lặp lại bƣớc 3.1 cho tới khi hết m ngƣời đƣợc sắp xếp.
Bƣớc 4: Thực hiện việc truyền nhận dữ liệu trên kênh truyền vô tuyến
Bƣớc 5: Tính toán lƣu lƣợng của hệ thống, thiết lập bảng lập lịch và bàn điều kiện kênh truyền mới cho frame tiếp theo. Quay trở lại bƣớc 2.
102
Tạo bảng lập lịch mới
Lập bảng điều kiện kênh truyền mới
Biến đổi IFFT i=1
Quyết định m MS đƣợc phục vụ
j=1
Cấp băng thông cho MS j và loại nó khỏi bộ lập lịch
Thêm khoảng bảo vệ và truyền dữ liệu Nhận dữ liệu và loại bỏ khoảng bảo vệ MS j có là MS tốt nhất để sắp xếp vào kênh i Bắt đầu Biến đổi FFT Tính toán các số liệu cần thiết i=i+1 j=j+1 Sai Đúng
103
3.2.3. Tham số mô phỏng của hệ thống
Tham số Giá trị
Số trạm BS 7
Số MS trên mỗi BS biên 20 Số MS trên BS trung tâm 50
Bán kính cell 1500 m
Độ cao của anten BS 80 m Độ cao của anten MS 2 m
Lớp vật lý OFDMA
Mô hình hoán vị ACM
Khung WiMAX TDD
Tỷ lệ khung DL/UL 1:1
Mô hình kênh vô tuyến Kênh Reyleigh
Băng thông kênh 5 MHz
Tần số sóng mang 2.5 GHz
Số sóng mang 512
Độ rộng tần số sóng mang 10.94 KHz Số sóng mang Null 92
Số sóng mang dữ liệu ngƣời dùng 30
Số kênh con 16
Khoảng thời gian ký hiệu T_S 102.9
Độ dài Frame 5 ms
Số Symbol/Frame DL 24
Mức điều chế 4-QAM , 16-QAM, 64-QAM
Tốc độ mã hóa 3/4
Độ dịch tần Doppler 90 Hz Độ dài khoảng bảo vệ G 1/16
104
3.2.4. Kết quả mô phỏng
Mô phỏng so sánh WFQ, PF, MAX-CINR và FRS khi chƣa có TF-BMA và khi có TF-BMA
Hình 3. 20. Mô hình mô phỏng wimax
Trong luận văn này tôi sử dụng thuật toán quét mành để sắp xếp dữ liệu, thuật toán quét mành có đặc điểm là dễ dàng thực hiện,sử dụng đƣợc hết tài nguyên của hệ thống.Thuật toán sử dụng cho bộ lập lịch là thuật toán WFQ,PF,MAX-CINR, FRS. Trong mô phỏng của tôi sẽ mô phỏng hai phần:
-Bộ lập lịch sử dụng các thuật toán nhƣ WFQ, PF, MAX-CINR, FRS. -Bộ sắp xếp dữ liệu sử dụng thuật toán quét mành và thuật toán TF-BMA.
105
3.2.4.1 Đánh giá tính công bằng trong cấp phát băng thông cho từng người sử dụng
Qua đồ thị so sánh công bằng theo băng thông thì độ công bằng của FRS, FRSN,WFQ, WFQN là xấp xỉ nhƣ nhau và đạt đƣợc chỉ sốcông bằng rất cao.Chỉ số công bằng lớn hơn 0,85 và gần tiến tới 1. Còn đối với CINR thì chỉ số công bằng thấp,chỉ khoảng 0,65.Chỉ số công bằng của WFQ,FRS khi có mapping thì tính công bằng tăng lên một chút so với khi không có mapping. Chỉ số công bằng của WFQ cao hơn FRS và CINR. Điều này cũng đúng với thực tế bởi vì thuật toán WFQ hy sinh về tốc độ để đạt đƣợc độ công bằng trong cấp phát tài nguyên cho những MS