Trong các mạng hữu tuyến, mỗi kết nối vật lý giữa hai nút mạng luôn có dung lƣợng cố định, ngƣời sử dụng đều có vai trò ngang nhau trong mạng. Điều này có nghĩa là băng thông luôn luôn tỷ lệ thuận với tài nguyên mạng dành cho ngƣời sử dụng đó. Trái lại, trong các mạng không dây, tốc độ truyền của một kết nối hoặc một ngƣời sử dụng không phải bao giờ cũng tỷ lệ thuận với tài nguyên dành cho kết nối hoặc ngƣời sử dụng đó. Nguyên nhân là trong mạng không dây, các nút di động MS luôn luôn chuyển động và có điều kiện kênh truyền tới BS luôn luôn thay đổi (khoảng cách, tác động của các loại nhiễu .v.v.). Điều này có nghĩa là với cùng một tài nguyên vô tuyến đƣợc dành sẵn nhƣ nhau, hai MS khác nhau có thể có thông lƣợng truyền dữ liệu
hoàn toàn khác nhau. Việc này dẫn tới hệ quả là trong các mạng không dây, dung lƣợng của kênh truyền vô tuyến (trong phạm vi một BS) không cố định mà luôn luôn thay đổi. Trong nhiệm vụ nghiên cứu này, chúng tôi chỉ khảo sát ảnh hƣởng của suy giảm theo khoảng cách (pathloss) và nhiễu đồng kênh lên dung lƣợng của kênh truyền vô tuyến.
Mặt khác, khác với các kênh truyền vô tuyến sử dụng cơ chế chia sẻ theo thời gian (TDD), kênh OFDMA-TDD cho phép một MS truyền dữ liệu đồng thời trên nhiều sóng mang và nhiều khe thời gian. Vì vậy, để tối ƣu hóa dung lƣợng kênh truyền cần phải có một cơ chế chia sẻ tài nguyên vô tuyến mềm dẻo trong cả hai miền là thời gian và tần số. Lấy thí dụ nhƣ trong Hình 4.11, vùng dữ liệu cần truyền của một ngƣời sử dụng Ui bất kỳ có độ lớn 24 bit. Ngƣời sử dụng Ui chịu tác động của nhiễu đồng kênh trên kênh con (sub-channel) thứ 2, do đó tại vùng này dữliệu chỉ đƣợc điều chế QAM-16. Nhƣ vậy nếu ghép 24 bit của Ui vào các kênh con 1, 2, 3 thì cần tổng cộng 6 khe (slot) tài nguyên. Mặt khác, nếu ghép dữ liệu ui vào kênh con 5, 6 không bị nhiễu đồng kênh, dữliệu có thể đƣợc điều chế QAM-64, trong trƣờng hợp này chỉcần 4 khe tài nguyên vô tuyến. Từ đó ta có thể kết luận một cơ chế điều khiển và chia sẻ tài nguyên vô tuyến mềm dẻo và thông minh trong OFDMA sẽ làm tăng dung lƣợng kênh truyền vô tuyến.
Sub-channel CCI 1 2 QAM-16 3 4 QAM-64 5 Frame time
Hình 4.11: Ghép dữ liệu của ngƣời sử dụng Ui vào khung OFDMA 4.5.2.6. Các phƣơng thức của việc quản lý tài nguyên vô tuyến
1.Lập lịch cho gói (Packet Scheduling - PS)
67
Xác định các tài nguyên vô tuyến có thể dùng cho dịch vụ mạng không phải thời gian thực. (Non-real-time Radio Bearer – NRT RB)
Chia sẻ tài nguyên vô tuyến có thể dùng giữa các NRT RB. Giám sát việc phân bổ tài nguyên cho các NRT RB.
Khởi tạo việc thay đổi loại kênh truyền giữa phổ biến, chia sẻ hay kênh dành riêng khi cần thiết.
Giám sát tải hệ thống.
Thực hiện các hành động kiểm soát tải cho RNT RB khi cần thiết.
2. Điều khiển công suất (Power Control – PC)
Trong hệ thống LTE chức năng Power Control đƣợc quản lý bởi eNodeB. Mục đích chính của PC:
Đảm bảo chất lƣợng dịch vụ Giảm nhiễu
Giảm công suất tiêu thụ
Nâng cao năng lực và vùng phủ sóng
* Các loại điều khiển công suất:
Công suất cố định
Điều khiển công suất vòng hở Điều khiển công suất vòng kín
Điều khiển công suất trong hệ thống LTE cũng là định hƣớng kênh. Công suất truyền tải của kênh đƣợc điều khiển bởi hai bƣớc:
Điều khiển công suất vòng hở: hoạt động ở giai đoạn thiết lập ban đầu của một liên kết vô tuyến. Nó sẽ tính toán công suất truyền tải ban đầu.
Điểu khiển công suất vòng kín: hoạt động sau giai đoạn liên kết vô tuyến. Nó sẽ tự động điều chỉnh công suất truyền tải trong thời gian thực.
3.Chuyển giao (Handover)
Chuyển giao là chức năng cơ bản của hệ thống di động, là sự chuyển kết nối vô tuyến giữa UE với một cell sang một cell khác. Trong hệ thống LTE, chuyển giao còn thực hiện một số chức năng khác, ví dụ nhƣ để cân bằng tải, để cân bằng dịch vụ khác trong tế bào, để nâng cao việc sử dụng mạng, và tối ƣu hóa hiệu suất mạng.
Khi ngƣời sử dụng dịch vụ di chuyển, chuyển giao đƣợc tiến hành dựa trên vùng phủ sóng.Chức năng chính của chuyển giao theo vùng phủ sóng là cung cấp dịch vụ liên tục, bảo vệ cuộc gọi không bị “rơi” (drop).
Tùy theo kiểu di động, chuyển giao theo vùng phủ sóng đƣợc chia thành: Chuyển giao cùng tần số: Đƣợc thực hiện dựa vào chất lƣợng của tín hiệu Tham chiếu đƣờng xuống của cell tốt nhất. Đây là dạng chuyển giao phổ biến nhất trong hệ thống LTE.
Chuyển giao liên tần số: Đƣợc thực hiện dựa vào chất lƣợng của tín hiệu tham chiếu đƣờng xuống của cell tốt nhất. E-UTRAN và UE phải đƣợc hỗ trợ việc chuyển giao giữa các tần số khác nhau trong mạng.
Chuyển giao giữa các công nghệ truy nhập vô tuyến: Đƣợc thực hiện dựa vào tín hiệu tham chiếu đƣờng xuống của cell tốt nhất. E-UTRAN và UE sẽ hỗ trợ các nhà cung cấp dịch vụ truy nhập vô tuyến khác nhau.
Thủ tục chuyển giao gồm 3 bƣớc: Đo lƣờng Measurement Quyết định Decision Thực hiện Execution
4.Điều khiển thu nhận (Admission Control) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Admission Control nhằm mục đích:
Đảm bảo chất lƣợng dịch vụ hiện tại Tối đa hóa việc sử dụng tài nguyên Tối đa hóa tỉ lệ truy cập thành công
Các tiêu chuẩn đánh giá Admission Control:
Khối tài nguyên (Resource Block - RB):
RB sử dụng càng cao, hệ thống sử dụng càng nhiều tài nguyên.
Khi RB sử dụng thấp, không có admission control. Sự thỏa mãn chất lƣợng dịch vụ (QoS satisfaction):
Tỉ lệ truy cập thành công:
69
Tỉ lệ này càng cao, hiệu năng của hệ thống càng cao Tỉ lệ “rơi” cuộc gọi:
Tỉ lệ này càng thấp, hiệu năng của hệ thống càng cao
Quá trình Admission Control:
Các dịch vụ đƣợc hỗ trợ Admission control:
Dịch vụ truy cập mới
Dịch vụ chuyển giao Quá trình Admission Control:
Kiểm tra khả năng của UE. Nếu UE thuộc diện các dịch vụ đƣợc hỗ trợ sẽ chuyển sang bƣớc tiếp theo. Nếu không, AC sẽ từ chối nhận.
Kiểm tra tài nguyên hệ thống. Nếu một trong số các tài nguyên bị tắc nghẽn, AC sẽ từ chối nhận. Nếu không sẽ chuyển sang bƣớc kế tiếp.
Kiểm tra RB sử dụng và QoS satisfaction ở UL và DL: a. Nếu RB sử dụng thấp, dịch vụ đƣợc chấp nhận.
b. Ngoài ra, khi kiểm tra QoS satisfaction:
c.Nếu QoS satisfaction cao hơn ngƣỡng, dịch vụđƣợc chấp nhận d.Các trƣờng hợp còn lại dịch vụ bị từ chối
5.Điều khiển tải (Load Control - LC)
LC đƣợc thực hiện bởi thực thể RRM trong eNodeB. Mục đích của LC: Giữ hệ thống ổn định
Đảm bảo chất lƣợng dịch vụ hiện tại Tối đa hóa tài nguyên sử dụng
Tối thiểu hóa tỉ lệ “rơi” cuộc gọi Các tiêu chí đánh giá LC:
RB sử dụng
QoS satisfaction
Tỉ lệ “rơi” cuộc gọi Các hoạt động điều khiển tải:
Giải phóng các dịch vụ có EER thấp (EER-Energy Efficiency Ratio): eNodeB sẽ lựa chọn dịch vụ có EER thấp nhất để giải phóng.
EER là một chỉ số đánh giá các dịch vụ có cùng ARP (Allocation Retention Priority)
EER liên quan tới các thông số:
GBR (Guaranteed Bit Rate) của dịch vụ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Số RB dịch vụ sử dụng
APR của dịch vụ
Công suất đƣờng xuống của dịch vụ
Hạ mức GBR (Guaranteed Bit Rate): Nếu không thể tiến hành giải phóng dịch vụ có EER thấp, eNodeB sẽ tiến hành hạ mức GBR. Khi hệ thống thoát khỏi tình trạng tắc nghẽn, GBR của dịch vụ sẽ đƣợc khôi phục
GBR của tất cả các dịch vụ (trừ dịch vụ VoIP) sẽ bị hạ xuống
QoS của dịch vụ GBR cũng giảm
QoS của mạng sẽ đƣợc cải thiện
4.5.3.Cơ chế lập lịch [23]
Bộ lập lịch là một khối phức tạp bởi vì nó cần thu thập nhiều thông tin để lập lịch các gói dữ liệu một cách chính xác và hiệu quả. Bộ lập lịch cần lƣu giữ những thông tin nhƣ:
− Thông tin QoS cho mỗi luồng.
− Trạng thái hàng đợi DL của mỗi luồng.
− UL BW grant (bao gồm các yêu cầu băng thông và cấp phát băng thông đƣợc cập nhật ) cho mỗi luồng hoặc cho mỗi kết nối (MS).
− Thông tin trạng thái kênh truyền của mỗi MS. Thành phần của bộ lập lịch bao gồm những khối con sau đây:
− Khối quản lý hàng đợi DL: Khối này quản lý các hàng đợi của mỗi kết nối bằng cách lƣu giữ các gói trong các hàng đợi khác nhau dựa vào CID của các gói đó. Khối này lƣu trữ các thông tin nhƣ là tổng số gói, tổng kích thƣớc dữ liệu của mỗi hàng đợi, và cung cấp giao diện để đƣa gói vào-ra các hàng đợi cũng nhƣ các truy vấn trạng thái của mỗi hàng đợi.
− Khối lập lịch UL/DL: Nhiệm vụ của khối này là quyết định đúng thứ tự của mỗi luồng và lập lịch chính xác các gói tin để truyền.
− Khối cấp phát tài nguyên DL: Nhiệm vụ của khối này là quyết định kích thƣớc và vị trí của mỗi burst dữ liệu trong khung.
71
− Khối phân mảnh/đóng gói gói tin: Khe dữ liệu đƣợc cấp phát có thể không vừa với kích thƣớc của gói tin trong các hàng đợi, sự phân mảnh và đóng gói là cần thiết để sử dụng hiệu quả các khe dữ liệu đƣợc cấp phát
Bộ lập lịch là một phần tử then chốt và quyết định lớn đến chấp lƣợng toàn bộ đƣờng xuống, đặc biệt là trong một mạng có mức tải cao. Bộ lập lịch là thành phần của lớp MAC và điều khiển việc ấn định tài nguyên đƣờng lên, đƣờng xuống.
Ta có thể phân loại kỹ thuật lập lịch theo các cách nhƣ theo phụ thuộc kênh truyền hay không phụ thuộc kênh truyền. Ngoài ra, có thể phân biệt theo loại lƣu lƣợng, khi đó hiệu suất của thuật toán lập lịch sẽ cao đối với từng loại lƣu lƣợng khác nhau.
Hình 4.12: Các thành phần của bộ lập lịch tại BS và MS [23]
Lƣu lƣợng có thể chia thành lƣu lƣợng thời gian thực, lƣu lƣợng thời gian không thực hoặc hỗn hợp của hai loại nhƣ thoại, dữ liệu, live video…Khi đó, kỹ thuật lập lịch có thể chia làm hai loại:
Thuật toán lập lịch cho lƣu lƣợng thời gian không thực: Kỹ thuật lập lịch cho lƣu lƣợng thời gian không thực dựa vào thuật toán cơ bản là PF. Các thuật toán lập lịch phổ biến khác là Max Rate, Round Robin. Hiệu suất của các thuật toán lập lịch cho dịch vụ thời gian không thực đƣợc đo đạc chủ yếu bằng thông lƣợng và độ công bằng.
Thuật toán lập lịch cho lƣu lƣợng thời gian thực: Lƣu lƣợng thời gian thực có yêu cầu độ trễ nghiêm ngặt hơn nhiều nhằm giảm sai lỗi. Trong hệ thống không dây, lƣu lƣợng thời gian thực đƣợc mô hình hóa bởi quá trình lƣu lƣợng tới là các gói tin độc lập đến bộ đệm, theo một mục tiêu trễ khác nhau. Đối với mô hình mạng không dây khác nhau, có một số chính sách để thỏa mãn các mục tiêu độ trễ khác nhau. Ví dụ, chính sách mà độ trễ giới hạn lớn nhất là đảm bảo độ dài hàng đợi trong một sốràng buộc. Các thuật toán lập lịch phổ biến nhất cho lƣu lƣợng thời gian thực là Largest Delay First, Modified Largest Weighted Delay First, Delay Experience. Độ mất gói và độ công bằng là những thông số hiệu suất chính đối với thuật toán lập lịch đối với lƣu lƣợng thời gian thực.
Trong mạng thực tế, cả lƣu lƣợng thời gian thực và không thực đều hiện diện, vì thế bộ lập lịch phải làm sao đáp ứng đƣợc cả hai loại lƣu lƣợng này đồng thời. Thuật toán phải tối đa hóa thông lƣợng để sử dụng hiệu quả kênh truyền và giữ độ trễ nhỏ nhất có thể bằng cách nhận dạng các lƣu lƣợng quan trọng đồng thời, nhƣng phải đảm bảo tính công bằng. Các thuật toán phổ biến nhất là Exponential Rule, Utility function. Các thông số đánh giá hiệu suất chính là thông lƣợng, độ trễ và độ công bằng.
Hiện nay các thuật toán lập lịch trong mạng không dây nói chung đều có thể đƣợc chia thành 2 loại chính:
− Các thuật toán không nhận biết đƣợc trạng thái kênh truyền (channel- unaware scheduler): thông thƣờng đây là các thuật toán đƣợc sử dụng trong mạng lõi hữu tuyến nhƣthuật toán Round Robin(RR), Weighted Round Robin (WRR), Weighted Fair Queuing (WFQ).
− Các thuật toán lập lịch dựa vào trạng thái kênh truyền (channel-aware scheduler): đây chính là các thuật toán đƣợc sử dụng trong môi trƣờng vô tuyến, trong đó quyết định gửi dữ liệu sẽ dựa vào tình trạng kênh truyền của tứng MS cụ thể. Điển hình cho các thuật toán lập lịch này là: thuật toán Maximum Sum Rate(MSR) hay còn đƣợc gọi là thuật toán MaxCINR, thuật toán Proportional Fair(PF) và Maximum Fairness(MF).
Kế hoạch lập lịch đƣờng xuống: Bộ lập lịch đƣờng xuống chịu trách nhiệm điều khiển linh động các đầu cuối thiết bị để phát và đối với từng thiết bị đầu cuối thì điều khiển 1 tập hợp các khối tài nguyên trên đó DL-SCH của đầu cuối sẽ đƣợc phát. Nhƣ vậy hệ quả của bộ lập lịch điều khiển tốc độ dữ liệu, sự phân đoạn RLC và sự
73 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
ghép kênh MAC sẽ bị ảnh hƣởng bởi sự quyết định lập lịch. Trong hầu hết các trƣờng hợp, một thiết bị đầu cuối riêng lẻ không thể sử dụng hết toàn bộ dung lƣợng của một tế bào, chẳng hạn do thiết dữ liệu.
Hình 4.13: Kế hoạch lập lịch đƣờng xuống lớp MAC [23]
Hình 4.13 minh họa hoạt động của một QoS nhận biết MAC l theo hƣớng đƣờng xuống. Dữ liệu cho nhiều Bearers Đài phát thanh đƣợc xếp hàng đợi trong lớp con RLC, với kế hoạch lập lịch lớp MAC nhận cập nhật tình trạng đệm nhƣ dữ liệu mới đến. Kế hoạch lập lịch lớp MAC xác định đƣờng xuống, việc phân bổ các nguồn lực cho mỗi khung phụ. Những phân bổ này đƣợc báo hiệu cho lớp con MAC đó xây dựng trạm UE - cụ thể (TB).
Hơn nữa, ho đặc điểm của kênh truyền có thể biến đổi trong miền tần số, nên sẽ rất có lợi nếu thực hiện đƣợc việc phát trên các phần phổ khác nhau tói các thiết bị đầu cuối khác. Do đó nhiều thiết bị đầu cuối có thể đƣợc lập lịch song song trong một khung con, trong trƣờng hợp này chỉ có một kênh DL-SCH trên một thiết bị đầu cuối đã đƣợc lập lịch, mỗi thiết bị đầu cuối đƣợc ánh xạ động lên một tập các tài nguyên tần số duy nhất. Bộ lập lịch này điều khiển tốc độ dữ liệu tƣc thời đƣợc sử dụng và do đó việc phân đoạn RLC và sự ghép kênh MAC sẽ bị các quyết định lập lịch này tác động. Mặc dù về chính thức bộ lập lịch là một phần của lớp MAC, nhƣng ta có thể hiểu rõ
hơn khi coi nó là một thực thể tách biệt, do đó bộ lập lịch có thể điều khiển hầu hết các chức năng trong eNodeb liên quan với truyền dữ liệu đƣờng xuống.
4.5.4.Các yêu cầu lập lịch và báo cáo trạng thái bộ đệm. 4.5.4.1. Yêu cầu lập lịch
Bộ lập lịch cần biết về lƣợng dữ liệu đang chờ phát đi từ các thiết bị đầu cuối để gán một lƣợng tài nguyên đƣờng lên thích hợp cho chúng. Hiển nhiên là sẽ không cần cung cấp tài nguyên đƣờng lên cho một thiết bị đầu cuối không có dữ liệu phát vì điều này chỉ làm cho thiết bị đầu cuối phải tạo nên một phần độn để lấp đầy các tài nguyên đƣợc cấp. Vì thế, tối thiểu của bộ lập lịch cũng cần biết xem thiết bị đầu cuối có dữ liệu để phát hay không để còn cung cấp chấp nhận. Đây đƣợc gọi là yêu cầu lập lịch. Yêu cầu lập lịch là cờ đơn giản, cờ này đƣợc dựng lên khi một thiết bị đầu cuối yêu cầu các tài nguyên đƣờng lên từ bộ lập lịch.
Để quyết định hàng đợi của UE nào đƣợc phục vụ và bao nhiêu dữ liệu đƣợc phép truyền, một kỹ thuật lập lịch rất đơn giản có thể đƣợc dùng là FIFO (First In First Out). Kỹ thuật này rất đơn giản nhƣng lại không công bằng. Một kỹ thuật lập lịch phức tạp hơn một chút là RR (Round Robin). Kỹ thuật này tạo sự công bằng giữa