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 có điều kiện kênh truyền không tốt, còn CINR thì có độ công bằng trong cấp phát băng thông nhỏ nhất bởi vì nó chỉ chú trọng tới việc làm sao truyền đƣợc nhiều dữ liệu nhất mà không quan tâm tới tính công bằng. Bên cạnh đó thuật toán FRS mới phát triển cũng tỏ ra là một thuật toán rất tối ƣu trong việc tăng tính công bằng trong cấp phát băng thông cho mỗi MS. Đây là một điểm thành công của thuật toán mới phát triển cho bộ lập lịch.
106
Hình 3. 21. So sánh tính công bằng trong cấp phát băng thông cho từng MS
Tính trung bình trong quá trình truyền dữ liệu thì tính công bằng của mỗi thuật toán đạt đƣợc nhƣ sau:
107
Hình 3. 22. So sánh tính công bằng trung bình trong cấp phát băng thông cho từng MS
Qua đồ thị thông kê ta nhận thấy tính công bằng của WFQ và FRS khi có sử dụng thuật toán TF-BMA ở bộ mapping và WFQ không sử dụng thuật toán TF-BMA ở bộ sắp xếp dữ liệu thì tính công bằng cao gần bằng nhau và tiến gần tới 1. Tính công bằng của CINR thấp nhất.
3.2.4.2. Đánh giá tính công bằng trong cấp phát tài nguyên 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 số công 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. Trong khi tính công bằng trong cấp phát slot của WFQ có TF-BMA và không có TF-BMA có xu thế tăng khi có nhiều dữ liệu cần phải truyền thì FRS có TF-BMA và không có TF-BMA có xu thế giảm. Chỉ số công bằng FRS khi có ít dữ liệu cần truyền còn cao hơn WFQ một chút nhƣng khi dữ liệu cần truyền tăng lên thì tính công bằng lại giảm xuống. Chỉ số công bằng của WFQ cao hơn 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
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 WFQN WFQ FRSN FRS PF CINR B an dwid th Fai rnes s Bandwidth Fairness WFQN WFQ FRSN FRS PF CINR
108
có điều kiện kênh truyền không tốt, còn CINR thì có độ công bằng trong cấp phát băng thông nhỏ nhất bởi vì nó chỉ chú trọng tới việc làm sao truyền đƣợc nhiều dữ liệu nhất mà không quan tâm tới tính công bằng. Bên cạnh đó thuật toán FRS mới phát triển cũng tỏ ra là một thuật toán rất tối ƣu trong việc tăng tính công bằng trong cấp phát tài nguyên cho mỗi MS. Đây là một điểm thành công của thuật toán mới phát triển cho bộ lập lịch.
Hình 3. 23. So sánh tính công bằng trong cấp phát slot cho từng MS
Tính trung bình trong quá trình truyền dữ liệu thì tính công bằng theo tài nguyên của mỗi thuật toán đạt đƣợc nhƣ sau:
109
Hình 3. 24. So sánh tính công bằng trung bình trong cấp phát slot cho từng MS
3.2.4.2. Đánh giá về lƣu lƣợng của hệ thống khi bộ sắp xếp dữ liệu có TF-BMA và khi không có TF-BMA.
Qua đồ thị ta thấy lƣu lƣợng của CINR là cao nhất trong tất cả các thuật toán.Điều này đúng với lý thuyết. Lƣu lƣợng của thuật toán FRS cũng thể hiện đƣợc sự vƣợt trội so với các thuật toán khác, tốc độ đạt mức rất cao thƣờng ở mức 16 Mbps,có lúc lên tới 26 Mbps.Tốc độ này cũng đạt gần bằng tốc độ của CINR.Đây là điểm vƣợt trội của thuật toán FRS khi kết hợp với thuật toán TF-BMA. Tốc độ truyền dữ liệu rất cao trog khi tính công bằng cũng đạt đƣợc khá cao. Tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống khi bộ lập lịch sử dụng thuật toán WFQ và bộ sắp xếp dữ liệu sử dụng thuật toán TF-BMA cũng đạt đƣợc khá cao, trên 10Mbps. Qua đây cũng cho thấy tính hiệu quả của thuật toán TF-BMA.
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 WFQN WFQ FRSN FRS PF CINR Fa irn es s Inde x Resource Fairness WFQN WFQ FRSN FRS PF CINR
110
Hình 3. 25. Lƣu lƣợng hệ thống
Tính trung bình trong quá trình truyền dữ liệu thì lƣu lƣợng của mỗi thuật toán đạt đƣợc nhƣ sau: Hình 3. 26. Lƣu lƣợng hệ thống trung bình 8 11 14 17 20 23 WFQN WFQ FRSN FRS PF CINR T o ta l ca pa ci ty (M bps ) Spectral Efficiency WFQN WFQ FRSN FRS PF CINR
111
Lƣu lƣợng của CINR đạt mức cao nhất, lƣu lƣợng của thuật toán mới FRS kết hợp với TF-BMA cho hiệu quả rõ rệt đạt mức xấp xỉ bằng thuật toán CINR. Lƣu lƣợng của hệ thống đạt đƣợc tốc độ trên 17Mbps. So với các thuật toán khác thì đây là một tốc độ khá lý tƣởng.
112
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN, HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Qua quá trình mô phỏng và đánh giá kết quả đã chỉ ra rằng lƣu lƣợng của hệ thống luôn tỷ lệ nghịch với chia sẻ băng thông cho tất cả ngƣời sử dụng trong mạng. Vì vậy cần có tỷ lệ cân đối giữa việc tăng tốc độ mạng và chia sẻ tài nguyên một cách công bằng. Qua mô phỏng ta cũng nhận thấy hiệu quả của thuật toán lập lịch, ánh xạ mới so với các thuật toán trƣớc đó trong việc cải thiện tốc độ mạng cũng nhƣ đảm bảo tính công bằng trong phân phói tài nguyên. Qua đây hoàn toàn có thể áp dụng thuật toán này trong các mô hình mạng thực tế để tối ƣu mạng, đây là một biện pháp kỹ thuật hoàn toàn khả thi trong thực tế.
Các thuật toán này chỉ là cơ sở lý thuyết, vì thế cần phải đƣợc thử nghiệm trên mô hình phần cứng thực tế, vì vậy cần có thêm sự nghiên cứu và phát triển thêm mới có thể áp dụng đƣợc vào trong mạng thực tế. Nếu đƣợc triển khai thành công thì đây sẽ là một biện pháp rất hữu hiệu trong quản lý và tối ƣu nguồn tài nguyên vô tuyến. Nó sẽ tăng đƣợc hiệu quả trong việc nâng cao tốc độ mạng trong khi vẫn đảm bảo đƣợc tính công bằng trong cấp phát tài nguyên. Qua việc mô phỏng việc lập lịch và sắp xếp dữ liệu trong LTE và Wimax tôi cũng muốn các nhà phát triển và quy hoạch mạng có những lựa chọn tốt nhất cho việc phát triển mạng 4G tại Việt Nam.
Vì thời gian và kiến thức còn hạn chế nên kết quả của luận văn chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu và mô phỏng, tôi hy vọng rằng sẽ có những nhóm nghiên cứu riêng sẽ tiếp tục phát triển đề tài hơn nữa và tôi sẽ rất sẵn sang trao đổi trong phạm vi hiểu biết của mình để có thể góp phần phát triển đề tài hơn nữa.
113
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] “Xây dựng các cơ chế cung cấp chất lƣợng dịch vụ của mạng không dây băng rộng họ IEEE802‟‟.PGS Nguyễn Hữu Thanh, Hà Nội 2010.
[2]“On Providing Proportional Throughput and Delay-Bound for WiMAX Downlink “ Nguyễn Hữu Thanh, Nguyễn Văn Đức, Lê Thị Hằng, Nguyễn Mạnh Linh, Lê Nhật Thăng, Khoa Điện tử Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội,2010 [3] “Bộ sách kỹ thuật thông tin số, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật”, Nguyễn Văn Đức, 2006.
[4] “MAC Layer Scheduling and Radio Resource Management in IEEE802.16‟‟ PGS.TS. Nguyễn Hữu Thanh, 2010
[5] “Downlink resource allocation strtegies for OFDMA based mobile WiMAX”, Tara Ali-Yahiya, André-Luc Beylot, Guy Pujolle, Springer Science+Business Media, LLC 2009
[6] “IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Part 16: Air
Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands”, IEEE 802.16e-2005, February 2006.
[7] “WiMAX: Technology for Broadband Wireless Access”, John Wiley & Sons, 2007.
[8] “General Weighted Fairness and its support in Deficit Round Robin with Fragmentation in IEEE 802.16 WiMAX‟‟ Chakchai So-In, Raj Jain, and Abdel- Karim Al Tamimi Department of Computer Science and Engineering, Washington University in St. Louis, St. Louis, MO 63130 USA.
[9] “Analysis and simulation of a fair queueing algorithm”, Alan Demers Srinivasan Keshav and Scott Shenker, in SIGCOMM, pages 1 – 12, Austin Texas, September1989. ACM. Also in Computer Communications Review, 19 (4), Sept. 1989.
[10] “Data throughput of CDMA-HDR a high efficiency-high data ratepersonal communication wireless system,” A. Jalali, R. Padovani, R. Pankaj, Q. Inc, and
114
C.A. San Diego, 2000 IEEE 51st Vehicular Technology Conference Proceedings, 2000. VTC 2000-Spring Tokyo, 2000.
[11] “An Efficient Scheduling for Ensuring QoS in WiMAX.” A. Jain and A. Verma.
[12] “Radio Resource Management ofHeterogeneous Services in Mobile WiMAX Systems,” C. Huang, H. Juan, M. Lin, and C. Chang, IEEE WIRELESS
COMMUNICATIONS, vol. 14, 2007, p. 20.
[13] “A Quantitative measure of Fairness and Discrimination for Resource Allocation in Shared computer system‟‟Rajendra .K.Jain, Dah-Ming W.Chiu, William R.Hawe.
[14] “eOCSA: An Algorithm for Burst Mapping with Stric QoS Requirements in IEEE 802.16e Mobile WiMAX Networks1,2” Chakchai So-In, Raj Jain, Abdel- Karim Al Tamimi, Department of Computer Science and Engineering, Washington University in St.Louis, St.Louis, MO 63130 USA.
[15] “Burst Construction and Packet Mapping Scheme for OFDMA Downlinks in IEEE 802.16 systems”, Takeo Ohseki, Megumi Morita, Takashi Inoue, KDDI R&D Laboratories, 2-1-15 Ohara Fujimino-shi Saitama, 356-8502, Japan.
[16] “An Efficient Downlink Radio Resource Allocation with Carrier Aggregation in LTE-Advanced Networks''Hong-Sheng Liao, Po-Yu Chen, Member, IEEE, and Wen-Tsuen Chen, Fellow, IEEE, 2014.
[17] “Carrier Load Balancing and Packet Scheduling for Multi-Carrier Systems” Yuanye Wang,Student Member, IEEE,Klaus I. Pedersen,Member, IEEE,Troels B. Sørensen,Member, IEEE,and Preben E. Mogensen,Member, IEEE, 2010.
[18]“A New Two-Level Scheduling Algorithm for the Downlink of LTE Networks” Jean Thierry Stephen Avocanh, Marwen Abdennebi, Jalel Ben-Othman L2TI - Laboratoire de Traitement et de Transport de l‟Information Universit´ e Paris 13, Sorbonne Paris cit´ e, France, 2013.