Thuật toỏn lập lịch trỡnh gúi tin UEPS [31] cú thể giải quyết được sử dụng hiệu quả tài nguyờn vụ tuyến dựa vào hai yếu tố truyền tải đồng thời gúi tin thời gian thực (RT) và khụng thời gian thực (NRT). Thời gian truyền tải hữu ớch (TUF) được sử dụng khi lưu lượng truy cập liờn tục giảm trong sự chậm trễ cũng là để chỉ mức
độ khẩn cấp lập kế hoạch.
Trong hầu hết truyền tải NRT, lưu lượng truy cập cỏ nhõn cú một thời hạn mềm như mụ tảở phớa bờn tay phải của hỡnh 2.2. Tuy vậy, một số lưu lượng truyền tải NRT chẳng hạn như email và FTP cú nhiều thời gian hơn thời hạn hoặc khụng thời hạn. Một quy tắc lập kế hoạch cú thể là lập lịch đầu dũng head-of-line (HOL) cỏc gúi tin chờđợi trong khối quản lý bộ đệm (BMB) dựa trờn đơn vị thay đổi giỏ trị TUF.
Tuyền tải thời gian thực: Kể từ khi đường xuống giữa một BS và thiết bị người sử dụng (UEs) là liờn kết cuối cựng cho người sử dụng, sự chậm trễ end-to-end cú thể được đỏp ứng miễn là dữ liệu được gửi đến người sử dụng trong thời hạn. Núi cỏch khỏc, lờn lịch và cú thể truyền tải cỏc gúi tin của RT giao thụng bất cứ lỳc nào trong thời hạn đỏp ứng cỏc yờu cầu trỡ hoón. Từ sở hữu sự chậm trễ của đường xuống này, sự hạn chế thời gian chặt chẽ của một lưu lượng truy cập RT được mụ tả
bởi một thời hạn cứng hoặc kịp thời cú thể được giảm đi, thiếu đồng thời như thể
hiện trong hỡnh 2.3, được mụ tả trong [31].
Hỡnh 2.3.Khỏi niệm simultaneousness
Vớ dụ, một gúi của một lưu lượng truy cập RT chỉ được truyền trong một khoảng thời gian cụ thể [di-ji, di], di là thời hạn cuối cựng của gúi HOL i giao thụng RT và ji là chiều dài của sự chậm trễ -jitter. Khoảng thời gian cụ thể, [di-ji, di] được gọi là thời gian lập kế hoạch biờn (MSTI). Sau đú, trong khoảng thời gian cũn lại, [0, di - ji), cỏc gúi tin khỏc, đặc biệt là NRT cỏc gúi tin được truyền đi.
Kể từ khi TUF của một lưu lượng truy cập RT là một chức năng cứng và giỏn
đoạn trong sự chậm trễ, sự thay đổi đơn vị của tiện ớch | Ui(t) |, khụng thểđược lấy trực tiếp tại thời hạn chậm trễ của nú. Để giải quyết vấn đề này, TUF của một lưu lượng truy cập RT cú thểđược suy yếu như hỡnh z liờn tục. Một vớ dụ suy giảm hỡnh chữ z của TUF của RT giao thụng được thể hiện trong hỡnh 2.4.
Cỏc truyền tải hữu ớch khụng thời gian thực: Kể từ khi TUFs của lưu lượng NRT chức năng đơn điệu giảm trong thời gian (chậm trễ), một mụ hỡnh phõn tớch cú thể dễ dàng thu được bằng cỏch sử dụng liờn quan đến chức năng tăng đơn điệu.
Hỡnh 2.4.Mụ tả một TUF của một lưu lượng truy cập RT
Vớ dụ, một chức năng cắt ngắn theo cấp số nhõn, f(ai, t, Di) = exp(ait), cú thể được sử dụng, trong đú ai là một tham số tựy ý và Di ≥ t ≥ 0 là trỡ hoón thời hạn lưu lượng truy cập NRT. Sau đú, một TUF cú thể cú của lưu lượng i truy cập NRT là
fNRTi(t) = 1 - f(ai, t, Di) = 1 - exp(ait)/exp(Di)1, và tớnh khẩn cấp
'
( ) ( ) / ( )
i
NRT t i i i
U =a exp a exp D .
Cỏc yếu tố cấp thiết giữa truyền tải RT và NRT: | U’i(t) | được sử dụng để xỏc
định cỏc ưu tiờn lập kế hoạch trong gúi dữ liệu HOL của cỏc lớp giao thụng khỏc nhau chờđợi trong BMB. Cỏc yếu tố khẩn cấp giữa cỏc loại giao thụng là phụ thuộc vào cỏc nhà thiết kế. Một nguyờn tắc nhỏ là để cung cấp cho một ưu tiờn lập kế
hoạch cao hơn một lưu lượng truy cập RT đối với cỏc lớp truyền tải khỏc. Trong phần này, chỳng tụi thiết lập cỏc yếu tố cấp thiết của tất cả cỏc lớp lưu lượng truy cập như sau.
' ' ' '
1 2
( ) ( ) ( ) ( )
RT Voice RT Video NRT Data NRT Data
U − t > U − t > U − t > U − t
Hiệu quả trong truyền thụng khụng dõy cú liờn quan đến việc sử dụng cỏc nguồn tài nguyờn vụ tuyến hạn chế, tức là số lượng hạn chế của cỏc kờnh phỏt, băng thụng hạn chế. Như vậy tỡnh trạng của cỏc kờnh phỏt cú sẵn cú thể được sử dụng như một chỉ số hiệu quả.
Vớ dụ, trạng thỏi kờnh hiện tại (Ri(t)), trạng thỏi kờnh trung bỡnh ( ( ))R ti , tỷ lệ
dụng như một chỉ số hiệu quả. Trong nghiờn cứu này, một di chuyển trung bỡnh của trạng thỏi kờnh của mỗi người dựng i thuộc M trước cỏc khe thời gian W,
( ) (1 1/ ) (1/ ) ( )
i i i
R t = − W R + W R t , được sử dụng cho trạng thỏi kờnh trung bỡnh, ở
đõy W là cửa sổ thời gian được sử dụng trong tớnh toỏn của đường trung bỡnh của trạng thỏi kờnh. Lưu ý rằng R ti( )được sử dụng trong bài bỏo này là khỏc nhau từ
thụng lượng trung bỡnh của người dựng i, Ti(t), trước cỏc khe thời gian tc được sử
dụng trong thuật toỏn PF [30]. Do đú của người dựng ngay lập tức kờnh chất lượng so với giỏ trị trung bỡnh của nú, cao hơn cỏc cơ hội của người dựng để truyền dữ
liệu với tốc độ gần với giỏ trịđỉnh cao của nú.
Tại mỗi thời gian lập kế hoạch tức thời, nhiều người dựng được lựa chọn dựa trờn giỏ trịưu tiờn lập kế hoạch của họ thu được như sau:
Kờnh phụ được phõn bổ cho mỗi người sử dụng lựa chọn i*. Cỏc hệ thống OFDMA xem xột trong nghiờn cứu này được thiết kế để hỗ trợ lờn đến 12 người sử
dụng đồng thời ở mỗi thời gian lập kế hoạch ngay lập tức thể hiện trong bảng 2.
Đõy là sự khỏc biệt chớnh của thuật toỏn UEPS được thiết kế cho hệ thống OFDMA từ cỏc thuật toỏn lập lịch trỡnh gúi tin khụng dõy hiện cú như PF[30]
Cỏc thụng số Giỏ trị
Hệ thống OFDMA
Kờnh băng thụng đường xuống 20 MHz OFDM biểu tượng thời gian 100 ms Tổng số súng mang con 1536 Số súng mang con mỗi subchannel 128 Số của subchannels 12
Khung thời gian 20 ms
Khe thời gian 1 ms
Tổng kết chương: Trong chương này đó miờu tả chi tiết một số thuật toỏn lập lịch ỏp dụng trong mạng băng rộng khụng dõy. Rừ ràng thuật toỏn RR khụng phự hợp cho mạng WiMAX bởi vỡ nú khụng đảm bảo cỏc yờu cầu QoS khỏc nhau cho người dựng. Thuật toỏn max C/I và CARR ớt phự hợp với mạng WiMAX do cỏc người dựng cú điều kiện kờnh nghốo khú được phục vụ, dẫn đến khụng đảm bảo yờu cầu trễ cho cỏc ứng dụng thời gian thực. Thuật toỏn PF cõn bằng giữa nõng cao thụng lượng hệ thống và sự cụng bằng của cỏc người dựng, trong khi đú thuật toỏn cross- layer cung cấp sự hỗ trợ QoS đa dạng cho đa kết nối, nờn thể triển khai tốt cho mạng WiMAX. Thuật toỏn UEPS cú khả năng hỗ trợ nhiều người dựng được phục vụ truyền tải RT và NRT đồng thời từ một BS trong hệ thống OFDMA khụng dõy bằng cỏch khẩn cấp của việc lập kế hoạch và hiệu quả sử dụng tài nguyờn vụ tuyến. Thuật toỏn UEPS sử dụng cỏc chức năng thời gian tiện ớch như là một yếu tố
khẩn cấp và tỡnh trạng tương đối của kờnh hiện tại một trong những trung bỡnh như
là một yếu tố hiệu quả. Mục tiờu thiết kế chớnh của thuật toỏn UEPS là để tối đa húa thụng lượng của lưu lượng NRT với đỏp ứng cỏc yờu cầu QoS của truyền tải RT.
Tuy nhiờn, nú là cần thiết để nghiờn cứu cỏc thuật toỏn UEPS theo nhiều tỡnh huống khụng dõy núi chung lập lịch trỡnh gúi tin. Đặc biệt, để đỏp ứng cỏc yờu cầu QoS của truyền tải RT trong cỏc tỡnh huống giao thụng khỏc nhau, chiều dài của MSTI được điều chỉnh thớch nghi là một vấn đề phức tạp đang được nghiờn cứu.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ LẬP LỊCH 3.1. Mụ hỡnh hệ thống
Trong chương này sẽđề xuất thuật toỏn lập lịch dựa trờn thuật toỏn PF để thiết kế cho hệ thống WiMAX mụ hỡnh điểm – đa diểm (PMP) với một trạm BS trong mạng phục vụ nhiều trạm SS. Kờnh đường xuống được chia sẻ bởi cỏc trạm SS theo kiểu ghộp kờnh phõn chia theo thời gian (TDM), ởđú bộ lập lịch đường xuống được triển khai tại BS để lập lịch truyền dữ liệu tương ứng với cỏc hàng đợi. Việc truyền dữ liệu này xảy ra bờn trong khung thời gian cú kớch thước cố định, chỉ cú những hàng đợi lựa chọn mới cú thể phục vụ trong khung. Đặc tả giao diện khụng gian là OFDM sử dụng 256 FFT. Tất cả cỏc súng mang được ấn định trong một hàng đợi cho việc truyền dữ liệu trong một khe thời gian.
Hỡnh 3.1. Khuụn dạng kiến trỳc bộ lập lịch tại BS
Trong kờnh truyền fading khụng dõy, AMC như đó miờu tả ở 1.3.3 được sử
dụng tại lớp vật lý, BS biết chớnh xỏc thụng tin trạng thỏi kờnh (CSI) của tất cả cỏc SS tại mỗi khung thời gian. Như quy định trong chuẩn, mỗi SS đo đạt giỏ trị SNR và phản hồi thụng tin đến bộ lập lịch BS trong mỗi khung thời gian. BS nhận tớn hiệu phản hồi từ tất cả cỏc SS để thu thập trạng thỏi kờnh hiện tại. Với CSI hoàn hảo, bộ lập lịch BS thực hiện quyết định cấp phỏt tài nguyờn cho cỏc hàng đợi và lựa
chọn sơđồ mó húa và điều chế thớch nghi phự hợp trờn mỗi kờnh lưu lượng. Khuụn dạng kiến trỳc bộ lập lịch tại BS được biểu diễn như trờn hỡnh 3.1.
3.2. Mụ hỡnh kờnh fading
Một hệ thống OFDM truyền tớn hiệu băng rộng vào cỏc kờnh con song song băng hẹp, vỡ vậy fading lựa chọn tần số cú thể khắc phục. Do đú ta ỏp dụng mụ hỡnh kờnh Rayleigh tổng quỏt để phự hợp với kờnh fading phẳng cũng như fading lựa chọn tần số được gặp với hệ thống OFDM. Giỏ trị SNR trung bỡnh của SS k cú thể
biểu diễn bởi k k n P SNR P =
Trong đú Pn là cụng suất nhiễu nền [19], Pk là cụng suất thu được của SSk và
được tớnh bởi
2
k k t P = h P
Pt là tổng cụng suất phỏt của của BS và hk là độ lợi kờnh truyền, nú phản ỏnh cỏc hiện tượng vật lý khỏc nhau như tỏn xạ, vật cản và truyền súng đa đường.
Độ lợi kờnh truyền từ BS đến người dựng kđược tớnh theo cụng thức:
k k k k h = cd S m−α
Trong đú c là hằng số kết hợp độ lợi antenna phỏt và thu, dk là khoảng cỏch từ
BS đến người dựng k, α là hệ số mũ suy hao đường truyền (ước lượng α = 4.0 trong mụi trường đụ thị), Sk là biến ngẫu nhiờn đại diện cho tỏc động của shadow fading cú trung bỡnh zero và phương sai σs2(dB). Tỏc động của kờnh fading đa đường mk là biến ngẫu nhiờn phõn bố mũ cú trung bỡnh 1 đại diện cho kờnh fading Rayleigh. Ta cũng định nghĩa giỏ trị SNR trung bỡnh tại biờn của cell là ρ đại diện cho mức nhiễu tại mụi trường vụ tuyến xem xột, ta cú [20]
Trong đú D là bỏn kớnh cell của SS.
Đối với kờnh truyền fading Rayleigh, SNR thu được cú dạng biến ngẫu nhiờn phõn bố mũ. Hàm mật độ xỏc suất được cho bởi
Trong đú 1
λ là SNR trung bỡnh thu được.
Dung lượng truyền của người dựng kđược tớnh bởi cụng thức Shannon
Với B là băng thụng kờnh.
3.3. Thuật toỏn lập lịch đề xuất 3.3.1. Hàm ưu tiờn
Trong phần này một thuật toỏn lập lịch được đề xuất, gọi là thuật toỏn lập lịch APF (Adaptive Proportional Fairness), nhằm mục đớch mở rộng thuật toỏn lập lịch PF với cỏc dịch vụ thời gian thực và cung cấp cỏc yờu cầu QoS đa dạng. Sơđồ lập lịch này dựa trờn nguyờn tắc cấp phỏt trờn mỗi kiểu dịch vụ, nhằm mục đớch phõn biệt hiệu năng trễ của mỗi hàng đợi. Một hàm ưu tiờn mới được đưa ra cho tất cả
cỏc hàng đợi đảm bảo QoS, bao gồm cả UGS, rtPS và nrtPS để cấp phỏt cỏc khe thời gian trong cỏc hàng đợi với giỏ trịưu tiờn cao nhất. Tại khoảng thời gian t, hàm
Trong đú Mi là tốc độ yờu cầu tối thiểu, Ki(t) là số kết nối của hàng đợi thứ i, và Wi(t) là dung lượng truyền tại thời điểm t, nú được xỏc định bởi điều kiện kờnh truyền. Như trong bảng 1, Wi(t) được đơn giản húa là số bit cú thể mang bởi một symbol qua AMC. Mỗi hàng đợi tương ứng với một lớp yờu cầu QoS. Giỏ trị ước lượng thụng lượng trung bỡnh của hàng đợi thứ i (ký hiệu là Ri(t)) được cập nhật bởi
nếu kết nối iđược phục vụ tại khe thời gian t, và
nếu kết nối i khụng được phục vụ tại khe thời gian t.
Trong đú ri(t) là tốc độ dữ liệu hiện tại của người dựng i tại khe thời gian t, Ti
là thụng số hệ thống định nghĩa trước tương ứng với mỗi lớp dịch vụ. Thay vỡ giỏ trị
Ti là hằng số trong sơđồ PF, ta gỏn giỏ trị Ti khỏc nhau cho mỗi lớp dịch vụđể thực hiện cỏc ứng dụng khỏc nhau.
Thụng số quan trọng của thuật toỏn là giỏ trị Ti trong cụng thức (3.2). Vai trũ của Ti là phõn biệt cỏc ưu tiờn cho cỏc loại dịch vụ khỏc nhau. Với giỏ trị Ti nhỏ, số đo ưu tiờn của hàng đợi i dao động đỏng kể làm cho hàng đợi i truy cập thường xuyờn. Tớnh năng này là quan trọng để phõn biệt một hàng đợi với ràng buộc trễ. Vớ dụ, với Ti = 2, theo cụng thức (3.3) nếu hàng đợi khụng được phục vụ bởi bộ lập lịch tại n khung thời gian trước đú thỡ
Ri(t) giảm đỏng kể, dẫn đến hàng đợi i đạt được cơ hội truyền ở khung thời gian hiện tại với nhiều khả năng hơn. Ngược lại với Ti lớn (chẳng hạn Ti = 200),
Ri(t) giảm nhẹ mặc dự hàng đợi khụng được phục vụ trong một vài khung thời gian. Như vậy, chất lượng kờnh Wi(t) là yếu tố chớnh để xỏc định ưu tiờn cho mỗi hang đợi. Trong trường hợp này thụng lượng của hệ thống được nõng lờn và hiệu quả sử dụng băng thụng là đạt được. Tuy nhiờn sơđồ này khụng nhạy với độ trễ của cỏc kết nối. Với một thiết kế, nhiệm vụđặt ra là phải tỡm được giỏ trị Ti phự hợp để
đạt được cõn bằng giữa độ trễ và thụng lượng cho mỗi lớp dịch vụ theo cỏc yờu cầu QoS.
Lượng Ri(t)/Ki(t) xỏc định trong (3.1) chớnh là thụng lượng của mỗi kết nối trong hàng đợi i. Trong khi Ri(t)/(Ki(t)*Mi) biểu thị tốc độ dữ liệu hài lũng và nú cũng phản ỏnh độ trễ hài lũng cho cỏc kết nối thời gian thực. Đối với dịch vụ thời gian thực, Ri(t)được đỏnh giỏ với một giỏ trị Ti nhỏ để nhạy với thời gian chờ của dữ liệu trong hàng đợi i. Giỏ trị Ti lớn cho biết mức độ cao của sự hài lũng trễ, dẫn
đến mức ưu tiờn thấp. Do đú, cỏc yờu cầu QoS khỏc nhau cho cỏc ứng dụng thời gian thực và khụng thời gian thực được thống nhất là Ri(t)/(Ki(t)*Mi), nú đúng vai trũ quan trọng trong việc phản ỏnh yờu cầu băng thụng tức thời của hàng đợi i.
Cựng xem xột tỏc động của điều kiện kờnh truyền hiện tại và sự truyền dẫn hài lũng của cỏc khung thời gian trước đú, hàm ưu tiờn đề xuất khụng những giữđược những ưu điểm của sơđồ lập lịch PF, mà cũn phõn biệt cỏc dịch vụ với cỏc yờu cầu QoS khỏc nhau bằng cỏch lựa chọn cỏc giỏ trị Ti thớch hợp.
3.3.2. Cấp phỏt khe thời gian
Một chu trỡnh của bộ lập lịch lớp MAC hoạt động dựa trờn một khung cơ bản. Cú n khe vật lý trong 1 khung cho trước, trong đú n được xỏc định bởi sự thiết lập