Đánh giá các kỹ thuật lập lịch thông qua 2 tiêu chí thông lượng và độ
công bằng:
- Kỹ thuật lập lịch RR:
+ Nhìn vào hình 4.10 ta thấy trong suốt thời gian mô phỏng thuật toán cấp phát tài nguyên hệ thông công bằng cho tất cả người sử dụng (F=1).
+ Nhìn vào hình 4.12 ta thấy trong suốt thời gian mô phỏng thuật toán RR cấp phát thông lượng cho các MS gần như bằng nhau một lần nữa lại cho thấy tính công bằng của thuật toán lập lịch này. Tuy nhiên thông lượng tổng cộng cấp phát cho các MS thấp hơn nhiều so với các thuật toán còn lại.
+ Kỹ thuật Round Robin rất đơn giản. Việc cấp phát tài nguyên chỉ quan tâm đến việc làm sao tăng được thông lượng truyền thông mặc dù có thể không đảm bảo công bằng về thông lượng cho tất cả MS để đảm bảo chất lượng đường truyền. Nếu kích thước gói thay đổi nhiều (hay tham số độ dài hàng đợi tăng) thì kỹ thuật RR sẽ không còn công bằng nữa tuy nhiên mọi thuê bao sẽ được cấp phát tài nguyên nếu nằm trong phạm vi phủ sóng của mạng lưới.
- Kỹ thuật lập lịch CQI:
+ Nhìn vào hình 4.10 ta thấy F=0.6 tức trong suốt thời gian mô phỏng thuật toán này cấp phát tài nguyên không đồng đều cho người sử dụng.
+ Nhìn vào hình 4.12 ta thấy thông lượng cấp phát cho các MS biến thiên rất nhiều, độ chênh lệch khá cao và không đồng đều. Nó phản ánh đúng tính chất thuật toán ít độ công bằng này. Ngoài ra dựa vào đồ thị ta thấy đây là thuật toán cấp phát thông lượng tốt nhất cho các MS.
+ Điều này chứng minh bộ lập lịch CQI luôn phát tới người dùng có SINR lớn nhất, vì thế các người dùng tại một đỉnh fading có khả năng được lập lịch trong mọi lúc, trong khi các người dùng khác có fading sâu sẽ không được lập lịch. Vậy thuật toán lập lịch Max Rate không đảm bảo công bằng trong việc cấp phát tài nguyên cho người sử dụng.
- Kỹ thuật lập lịch công bằng tỷ lệ:
+ Nhìn vào hình 4.12 ta thấy trong suốt thời gian mô phỏng thuật toán cấp phát tài nguyên hệ thông công bằng cho tất cả người sử dụng không khác mấy so với thuật toán Round Robin. Thậm chí nếu tính trong khoản thời gian dài hoặc ở trường hợp kích thước gói tin khác nhau thuật toán này còn đảm bảo độ công bằng hơn so với thuật toán RR.
+ Nhìn vào hình 4.12 ta thấy thông lượng cấp phát cho các MS có độ chệnh lệch nhưng khá đồng đều so với thuật toán Max Rate. Mức độ cấp phát thông lượng hệ thống thấp hơn Max Rate nhưng vẫn cao hơn đáng kể so với Round Robin.
+ Đây chính là thuật toán vừa đảm bảo việc cấp phát tài nguyên hệ thống công bằng vừa đảm bảo thông lượng khá cao. Tuy nhiên vấn đề quan trọng là khả năng xử lý và bộ nhớ đáp ứng cho thuật toán này là rất lớn trong thực tế. Thuật toán này yêu cầu đầu tư chi phí thiết bị để đáp ứng rất cao.
4.4. Kết luận chương 4
- Dựa trên quy hoạch định cỡ vùng phủ, những đánh giá đặc điểm của các kỹ thuật lập lịch quyết định đến việc cấp phát tài nguyên hệ thống, đáp ứng nhu cầu truy cập nêu trên và các đặc thù của thuê bao, vùng phủ sóng tại Tỉnh Thừa Thiên Huế cũng như nguồn kinh phí đầu tư mạng lưới của nhà cung cấp dịch vụ. Ta có thể đưa ra việc chọn lựa thuật toán lập lịch thích hợp cho các enodeB tại các vùng khác nhau.
- Ta nhận thấy ở thành phố Huế với mật dộ dân cư cao cùng với nhu cầu sử dụng dịch vụ lớn và đa dạng, đòi hỏi chất lượng dịch vụ thật tốt, trạng thái liên kết phải liên tục do đó cũng cần một trạm gốc eNodeB đáp ứng được các yêu cầu đề ra.
Vậy enodeB ở đây nên chọn kỹ thuật lập lịch Proportional Fair với đặc điểm vừa đảm bảo độ công bằng vừa có thông lượng hệ thống cao từ đó tối ưu hóa được tối đa hiệu năng mạng lưới và đáp ứng được tối đa nhu cầu người sử dụng dịch vụ. Tuy nhiên đánh đổi lại hệ thống thiết bị rất phức tạp và tốn kém để có thể ứng dụng kỹ thuật lập lịch Proportional Fair vào eNodeB này.
- Còn đối với các huyện do mật độ dân cư thấp, thưa thớt, nhu cầu các dịch vụ không đa dạng, lưu lượng kết nối đòi hỏi không cao. Vậy để tối ưu hóa nguồn lực, cũng như tối đa hóa hiệu suất hệ thống như đã trình bày thì enodeB ở đây nên chọn kỹ thuật lập lịch Best CQI nhằm tận dụng tối đa vùng phủ sóng, tối đa hiệu năng mạng. Nhưng thuật toán này cũng đòi hỏi một nâng cấp đáng kể về cơ sở hạ tầng mặc dù không bằng so với thuật toán lập lịch Proportional Fair.
- Nếu xét đến tiêu chí tiết kiệm kinh phí đầu tư mạng lưới của nhà mạng, khả năng cung cấp thiết bị của các nhà sản xuất và sự đơn giản dể dàng trong vận hành hệ thống nhưng vẫn nâng cao được thông lượng truyền dẫn, đảm bảo được sự công bằng. Các enodeB trên toàn Tỉnh Thừa Thiên Huế cũng có thể tích hợp thuật toán lập lịch RR hay ODRR. Tuy nhiên đi cùng nó là thông lượng toàn mạng đạt được thấp, các nguồn tài nguyên bị lãng phí.
KẾT LUẬN
Công nghệ LTE, được hiểu là công nghệ di động thế hệ thứ 4, hiện nay đã được triển khai ở vài nước trên thế giới và có lẽ là sự lựa chọn của các mạng tại Việt Nam, vốn trung thành với dòng công nghệ di động GSM (thế hệ thứ 2), UMTS/WCDMA (thế hệ thứ 3). Khi trải nghiệm mạng thế hệ thứ 3 sau khi nâng cấp lên từ GSM, chúng ta có thể gọi là hài lòng với chất lượng dịch vụ mà thế hệ thứ 3 đem lại. Mặc dù chưa được thương mại hóa nhiều nhưng LTE hứa hẹn sẽ làm người dùng rất hài lòng bởi sự vượt trội hơn nữa của công nghệ này so với thế hệ thứ 3.
Để duy trì lợi thế cạnh tranh của mình, các nhà mạng di động đã bắt đầu nghiên cứu và triển khai công nghệ LTE vào thực tế. LTE là công nghệ gói tối ưu dành cho truy nhập vô tuyến với độ trễ thấp, băng thông lớn và thông lượng rất cao.
Với đặc điểm là mạng toàn IP, hỗ trợ hoàn toàn cho các dịch vụ chạy trên nền IP, LTE được phát triển để trở thành mạng internet không dây mạnh mẽ hỗ trợ ở mọi lúc, mọi nơi với băng thông hàng trăm Mb/s. Khi đó eNodeB sẽ thay thế cả vai trò của RNC và NodeB trong thế hệ thứ 3, việc quản lý và điều khiển mọi hoạt động trên giao diện vô tuyến sẽ chỉ do eNodeB đảm trách. Khi đó, vai trò của bộ cấp phát tài nguyên phụ thuộc nhiều vào bộ lập lịch lớp MAC trong eNodeB..
Bộ lập lịch là một thực thể thông minh và đóng vai trò chủ đạo trong LTE. Bởi bộ lập lịch phải nhận rất nhiều thông tin, xử lý và đưa ra quyết định chính xác và hiệu quả cho việc cấp phát tài nguyên cho người dùng. Hoạt động của bộ lập lịch liên quan đến tất cả các lớp từ lớp RLC, đến MAC, lớp vật lý, bao gồm tiếp nhận, yêu cầu thông tin và điều khiển các thành phần thuộc các lớp trên. Vì thế, bộ lập lịch phải hoạt động theo thuật toán tối ưu. Đó là kỹ thuật lập lịch. Do đó nghiên cứu kỹ thuật lập lịch là rất quan trọng trong việc quy hoạch mạng nói chung và trong quy hoạch dung lượng nói riêng, ở luận văn này nó là một phần trong việc “nghiên cứu triển khai mạng 4G LTE tại Tỉnh Thừa Thiên Huế”.
Việc phát triển kỹ thuật lập lịch khá quen thuộc trong nhiều lĩnh vực từ dịch vụ, hàng không, bán hàng, thông tin, máy tính…với các thuật toán đơn giản ban đầu như FIFO, Round Robin đến các thuật toán phức tạp như Maxmin, PF, Exp Rule…Kỹ thuật lập lịch đã phát triển nhiều khi môi trường mạng IP ra đời. Việc
phát triển thuật toán lập lịch trong di động cũng đã được thực hiện nhưng đến khi LTE ra đời, thuật toán lập lịch trong eNodeB thực sự trở thành quan trọng bởi LTE là hệ thống di động toàn IP.
Thuật toán lập lịch hay còn gọi là các kỹ thuật lập lịch có thể hiểu là thủ tục để hệ thống cấp phát tài nguyên cho người dùng theo cách hành xử khác nhau, theo các tiêu chí khác nhau như độ ưu tiên người dùng, độ ưu tiên dịch vụ, đảm bảo chất lượng dịch vụ, băng thông cao nhất hay hiệu quả sử dụng cao nhất, đảm bảo tính an toàn của mạng, tránh tắc nghẽn…Mặc dù có rất nhiều thuật toán lập lịch, nhưng việc phát triển thuật toán lập lịch cho lĩnh vực thông tin di động rất phức tạp, vì thế khó tìm ra thuật toán lập lịch sử dụng trong LTE ngoài Round Robin, ODRR, Best CQI, PF.
Nội dung luận văn là “Nghiên cứu triển khai mạng LTE tại Tỉnh Thừa Thiên Huế”, trong đó tập trung vào nghiên cứu về kỹ thuật lập lịch trong LTE ảnh hưởng thế nào đến vấn đề quy hoạch dung lượng, ở đây luận văn tập trung vào kỹ thuật, không đi sâu vào thuật toán. Sau đó luận văn ứng dụng mô phỏng hoạt động của các kỹ thuật này trong eNodeB ở điều kiện môi trường vô tuyến nhằm có được số liệu cần thiết, phục vụ cho việc so sánh, đánh giá các kỹ thuật này với nhau. Các kỹ thuật được chọn mô phỏng là Round Robin, Best CQI, PF. Kết quả mô phỏng đã được thực hiện và đem lại cho chúng ta nhiều kết quả. Trước hết, kết quả là bước kiểm chứng cho nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật lập lịch, về tính chất, ưu nhược điểm của các kỹ thuật này. Sau đó là bước so sánh các kỹ thuật nhằm đề xuất kỹ thuật lập lịch hiệu quả nhất ứng dụng vào eNodeB tại các khu vực thuộc Tỉnh Thừa Thiên Huế để phù hợp với nhu cầu người sử dụng, lợi ích của nhà mạng và tối ưu được hệ thống.
Sau khi mô phỏng, luận văn đã có bước so sánh và đánh giá các thuật toán lập lịch. Kết quả nhận được đó là: Nếu hệ thống cần thông lượng lớn thì nên chọn Best CQI, PF. Nếu hệ thống cần độ công bằng thì nên chọn PF, Round Robin. Nếu chọn một thuật toán đảm bảo vừa thông lượng hiệu quả vừa độ công bằng thì ta nên chọn PF. Đây là bước đánh giá dựa vào kết quả mô phỏng. Kết quả này cho thấy để chọn thuật toán lập lịch hiệu quả với hệ thống không phải là chuyện dễ. eNodeB không phải là siêu máy tính, không thể xử lý hàng loạt phép tính phức tạp trong tích tắc hàng 1 ms để đưa ra quyết định tức thời. Mặc dù PF là thuật toán được kiểm
nghiệm là tốt nhất, nhưng để ứng dụng trong eNodeB thì còn phải qua thực nghiệm nhiều bởi vấn đề quan trọng là khả năng xử lý và bộ nhớ đáp ứng cho các thuật toán tối ưu này là rất lớn.Vì thế, việc chọn kỹ thuật lập lịch phù hợp với hệ thống là vấn đề quan trọng hơn. Việc áp dụng kỹ thuật lập lịch trong hệ thống di động LTE cần nhiều thông tin hơn nữa để có thể ứng dụng kỹ thuật lập lịch cho LTE như lưu lượng hiện tại, lưu lượng tương lai, bố trí mạng lưới, vị trí địa lý, đặc điểm và thói quen truy cập của khách hàng, khả năng đường truyền, khả năng xử lý eNodeB…Rất nhiều yếu tố được liệt kê cho thấy việc áp dụng kỹ thuật lập lịch rất quan trọng, ảnh hưởng rất nhiều đến hệ thống di động như LTE và cả người dùng.
Rất khó có thể hoàn thiện hết các khía cạnh của luận văn. Và với tất cả các nghiên cứu cần có sự cải tiến, hoàn thiện và thời gian để kiểm chứng. Đối với luận văn này đó là quy hoạch cho mạng truy nhập 4G LTE. Để việc nghiên cứu và mô phỏng các thuật toán lập lịch trong môi trường LTE chính xác hơn thì ngoài việc đánh giá 2 thông số về thông lượng, độ công bằng nên nghiên cứu thêm thông số lỗi gói, vấn đề chất lượng dịch vụ và tác dụng các thuật toán lập lịch QoS đến từng dịch vụ cụ thể. Hơn nữa sử dụng một công cụ mô phỏng chính xác hơn sẽ mang lại kết quả tốt hơn cho bài toán quy hoạch mạng 4G LTE này. Hiện nay các kết quả mô phỏng chỉ cho ra với các kịch bản có sẵn. Nếu hoàn thiện với các kịch bản khác thì công cụ này sẽ trở nên hoàn thiện hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Phần tiếng việt:
1. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, Hà Nội 2002.
2. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình lý thuyết trải phổ và đa truy nhập vô tuyến”, Hà Nội 2004.
3. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động thế hệ thứ 3”, Hà Nội 2004.
4. Trịnh Anh Vũ, Nguyễn Viết Kính, “Giáo trình thông tin số”, Hà Nội.
Phần tiếng anh:
5. Leonhard Korowajczuk, “LTE WiMAX Network Planning and Optimizin”. Year 2011. John Wiley & Sons, Ltd
6. Ajay R. Mishra - Nokia network, “Advanced Cellular Network Planning andOptimisation”, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester,West Sussex PO19 8SQ, England
7. Tshiteya Dikambal “Downlink Scheduling in 3GPP Long Term Evolution (LTE)” Master thesis Wireless and Mobile Communication (WMC) Group Faculty of Electrical Engineering, Mathematics an, d Computer Science Delft University of Technology, 2011, Holland
8. K. Norlund, T. Ottosson, A. Brunstrom, “Fairness Measures for Best Effort Traffic in WirelessNetworks” Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2004, IEEE, Vol. 4, pp.2953-2957, September 2004.
9. R. Elliott, “A Measure of Fairness of Service for Scheduling Algorithms in Multiuser Systems”Electrical and Computer Engineering, 2002, IEEE vol 3, pp 1583-1588, August 2002.
10. David Tse and Pramod Viswanath (2005), “Fundamentals of wireless communication”, Cambridge University.
11. 3GPP (2011), Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) Medium Access Control (MAC) protocol specification (3GPP TS 36.321 version 10.0.0 Release 10).
12. Nokia Siemens Network (2008), LTE SAE overview v1.0
13. Nokia Siemens Network (2008), LTE Air interface v1.0
15. Kambiz Homayounfar, Bijan Rohani (2008), CQI Measurement and Reporting in LTE: A New Framework.
16. Erik Eriksson (2008), Channel Quality Information Reporting and Channel Quality Dependent Scheduling in LTE.
17. Kristoffer Roberg (2010), Simulation of scheduling algorithms for femtocells in an LTE environment.
18. Albert Serra Pagès (2009), A Long Term Evolution Link Level Simulator, Universitat Politècnica de Catalunya.
19. Roke (2009), LTE eNodeB MAC Scheduler Interface.
20. Bilal Sadiq, Ritesh Madan, Ashwin Sampath (2009), Downlink Scheduling for Multi-class Traffic in LTE
21. Tshiteya Dikamba (2011), Downlink Scheduling in 3GPP Long Term Evolution (LTE).
22. Raymond Kwan, Cyril Leung, and Jie Zhang (2010), Downlink Resource scheduling in an LTE System.
23. Bilal Sadiq, Ritesh Madan, Ashwin Sampath (2009), Downlink Scheduling for Multi-class Traffic in LTE.
24. Zhiqiang Tang (2010), Traffic Scheduling for LTE Advanced.
25. Madhusudan Hosaagrahara, Harish Sethu (2006), Max-Min Fair Scheduling in Input-Queued Switches, IEEE.
26. Stefan Schwarz, Christian Mehlfuhrer, Markus Rupp (2009), Low Complexity Approximate Maximum Throughput Scheduling for LTE.
27. Zeljko Ilic, Alen Bazant, Borivoj Modlic (2008), An efficient data rate maximization algorithm for OFDM based wireless networks.
28. Harold J.Kushner, Philip A.Whiting (2004), Asymptotic Properties of Proportional-Fair Sharing Algorithms: Extensions of the Algorithm User- Level Performance of Channel-Aware.
29. Josep Colom Ikuno, Martin Wrulich, Markus Rupp (2011), Vienna LTE Simulators System Level Simulator Documentation v1.3r427, Institute of Communications and Radio-Frequency Engineering, Vienna University of Technology, Austria.