KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

3.1. Chƣơng trình mô phỏng LTE System Level Simulator

Đây là một chương trình mô phỏng được phát triển bởi Đại học Vienna (Áo) chuyên dùng để mô phỏng tính toán hiệu suất mạng LTE.Họ đã phát triển 2 chương trình nhằm mô phỏng lớp vật lý LTE Link Level Simulator và lớp mạng LTE System Level Simulator. Trong khi mô phỏng lớp vật lý cho phép nghiên cứu các vấn đề như Multiple Input Multiple Output (MIMO), mã hóa và giải mã kênh hay mô hình lớp vật lý thì lớp mạng tập trung vào giải quyết các vấn đề liên quan đến lập lịch, quản lý di động và quản lý nhiễu.

Chương trình mô phỏng LTE System Level Simulator đưa ra một mức độ linh hoạt cao. Về việc thực hiện, sử dụng lập trình hướng đối tượng OOP được thực hiện trên bản Matlab Release 2012b. Việc có 1 module code với cấu trúc dữ liệu rõ ràng dựa trên hướng đối tượng làm cho cấu trúc bộ mô phỏng có tổ chức, dễ hiểu và có khả năng phát triển, những thuật toán và hàm mới có thể dễ dàng thêm mới và kiểm tra. Tuy nhiên hạn chế trong chương trình cũng như trong luận văn của em chính là việc chưa tính toán đến mô phỏng dịch vụ của user mà đơn thuần là mô phỏng truyền tải dữ liệu dạng data.

M_file chính trong chương trình LTE System Level Simulator là LTE_sim_main.m, tuy nhiên cũng có thể chạy mô phỏng thông qua 1 batch file là LTE_sim_laucher.m. File chạy này sẽ thực hiện các nhiệm vụ chính sau:

 Load một file cấu hình được lựa chọn.

 Kích hoạt và chạy file mô phỏng chính LTE_sim_main.m

Những thông số mô phỏng thì được load từ một file script có dạng LTE_load_params_*.m. Tuy nhiên nếu muốn thay đổi một số thông số của mạng chúng ta có thể định nghĩa chúng ở ngoài file chạy LTE_sim_main_launcher_examples.m như sau:

<LTE_sim_main_launcher_examples.m>

close all force; clc;

clear all clear global; clear classes;

simulation_type = 'tri_sector_tilted'; % Possible simulation types now:

% - 'tri_sector' % -'tri_sector_tilted', 'tri_sector_tilted_4x2', 'tri_sector_tilted_4x4' % - 'tri_sector_plus_femtocells' % - 'six_sector_tilted' % - 'capesso_pathlossmaps' % - 'omnidirectional_eNodeBs' LTE_config = LTE_load_params(simulation_type);

%% If you want to modify something taking as a base the configuration file, do it here: here an example is show that changes the inter-eNodeB distances based on the LTE_load_params_hex_grid_tilted config file.

% Some changes to the base configuration, in case you would need/want them

LTE_config.show_network = 0; LTE_config.nTX = 2; LTE_config.nRX = 2; LTE_config.tx_mode = 4;

LTE_config.scheduler = 'round robin'; % prop fair Sun % round robin % best cqi

% LTE_config.shadow_fading_type = 'claussen'; LTE_config.compact_results_file = true; LTE_config.delete_ff_trace_at_end = true; LTE_config.UE_cache = true; LTE_config.simulation_time_tti = 10; LTE_config.UE_cache_file = 'auto'; LTE_config.adaptive_RI = 0; LTE_config.keep_UEs_still = true; LTE_config.UE_per_eNodeB = 20; LTE_config.scheduler_params.av_window = 20; LTE_config.map_resolution = 10; LTE_config.pregenerated_ff_file = 'auto'; LTE_config.trace_version = 'v1'; % 'v1' for pregenerated precoding. 'v2' for run-time-applied precoding

LTE_config.UE_speed = 5/3.6; LTE_config.inter_eNodeB_distance = 700; output_results_file = LTE_sim_main(LTE_config); simulation_data = load(output_results_file); GUI_handles.aggregate_results_GUI = LTE_GUI_show_aggregate_results(simulation_data); GUI_handles.positions_GUI = LTE_GUI_show_UEs_and_cells(simulation_data,GUI_handles.aggregate_results_ GUI);

Như đã nói ở trên , các cấu hình mô phỏng mô hình mạng mong muốn nằm trong folder simulation_config đươ ̣c go ̣i ra thông qua hàm LTE _load_param khi truyền các biến đầu vào là các mô hình mạng tương ứng:

 tri_sector

 tri_sector_title, tri_sector_title_4x2, tri_sector_tilted_4x4  tri_sector_plus_femtocell

 tri_sector_tilted

Các thông số mô phỏng được định nghĩa như sau:

 LTE_config.show_network: cấu hình số lượng plot được xuất ra

o 0: không xuất ra plot

o 1: xuất ra mô ̣t số plot

o 2: xuất ra tất cả các plot . Tuy nhiên điều này có thể làm cho tốc đô ̣ mô phỏng châ ̣m đi đáng kể.

 LTE_config.frequency: tần số mà hê ̣ thống hoa ̣t động (Hz)

 LTE_config.bandwidth: băng thông hê ̣ thố ng. Bao gồm những giá tri ̣ 1,4Mhz; 3Mhz; 5Mhz; 10Mhz; 15Mhz và 20Mhz tương ứng với lượng tài nguyên vô tuyến là 6, 15, 25, 50, 75 và 100 (RBs).

 LTE_config.nTX: số lươ ̣ng antennas phát  LTE_config.nRX: số lươ ̣ng antennas thu.

 LTE_config.tx_mode: mode truyền đươ ̣c đi ̣nh nghĩa trong [7]

o 2: Transmission Diversity (TxD)

o 3: Ghép kênh không gian vòng hở OLSM

o 4: Ghép kênh không gian vòng kín CLSM

 LTE_config.simulation_time_tti: đô ̣ dài thời gian mô phỏng

 LTE_config.inter_eNodeB_distance: Khoảng cách giữa các eNodeBs (m)  LTE_config.eNodeB_tx_power tần số phát lớn nhất của eNodeB (W).

o 43 dBm với sóng mang 1,25; 5Mhz

o 46 – 49 dBm với sóng mang 10; 20 Mhz  LTE_config.UE_speed: tốc đô ̣ UE di chuyển (m/s)

 LTE_config.scheduler: thuâ ̣t toán lâ ̣p li ̣ch được sử du ̣ng . Hỗ trợ những bô ̣ lâ ̣p li ̣ch sau:

o round robin

o best cqi

o prop fair Sun [8]

 LTE_config.UE_per_eNodeB: số lươ ̣ng UEs/cell.

 LTE_config.macroscopic_pathloss_model_settings.environment:

o free space: môi trường truyền sóng trong không gian tự do

o urban: môi trường truyền sóng trong đô thi ̣

o suburban: môi trường truyền sóng vùng ngoa ̣i ô

3.2. Các kịch bản và kết quả mô phỏng

Một số nghiên cứu trước đây cũng đã tính toán đến thông lượng người dùng và sự cân bằng trong hệ thống khi lập lịch bằng các thuật toán khác nhau trong mạng LTE. Tuy nhiên công việc đã bị giới hạn chỉ trong mô hình SISO (Single Input Single Output), người dùng tĩnh, băng thông hệ thống hạn chế [1] [2] [4] [5]. Luận văn này sẽ xem xét đến vấn đề lập lịch với mô hình truyền sóng đa anten MIMO, người dùng di động, mở rộng băng thông hệ thống và mô phỏng trong môi trường vô tuyến đặc trưng LTE bằng chương trình LTE System Level Simulator.

Mục đích chính của việc mô phỏng này đó là so sánh các thông số hiệu suất như thông lượng hệ thống throughput, tỷ số tín/ồn SNR, lưu lượng người dùng, chỉ

số ước lượng kênh truyền CQI trên đường downlink trong mạng LTE khi sử dụng những thuật toán này. Qua đó để hiểu rõ hơn phần lý thuyết, tìm hiểu ưu nhược điểm và hiểu được cách lập lịch trong hệ thống mạng LTE.

Chương trình mô phỏng sẽ chỉ thực hiện trên đường downlink LTE. Những mô hình mất mát đa đường macroscopic pathloss, fading (shadow fading, microscale fading) đã được tính toán sẵn trong chương trình.

Một số thông số sẽ được giữ nguyên như:  Có 3cells/eNodeB

 Có 15 giá trị CQI được sử dụng

 Phân bố UEs trong mô phỏng là random vì vậy không thể so sánh thông lượng của 1 UE trong những kịch bản khác nhau

 Mô hình traffic sử dụng là fullbuffer vô hạn

Chúng ta có thể thay đổi một số thông số của hệ thống như:

 Băng thông hệ thống (1,4Mhz; 3Mhz; 5Mhz; 10Mhz; 15Mhz và 20Mhz)  Số lượng UEs trên từng sector của eNodeB

 Tốc độ di chuyển của UEs  Số lượng anten thu và phát  Khoảng cách giữa các eNodeBs

 Các bộ lập lịch cho eNodeB (Round Robin, Proportional Fair, Best CQI) Tiếp theo sẽ mô phỏng một số kịch bản nhằm nêu rõ được các vấn đề lý thuyết đã đưa ra.

3.2.1. So sánh hiệu năng giữa các thuật toán lập lịch sử dụng chung cấu hình

Cấu hình trong mô phỏng như sau:

Parameter Value Note

LTE_config.nTX 2

LTE_config.nRX 2

LTE_config.bandwidth 20 Mhz

LTE_config.UE_per_eNodeB 20 Number UEs/cell LTE_config.tx_mode 4 CLSM LTE_config.simulation_time_tti 200 TTIs LTE_config.macroscopic_pathloss_model_sett ings.environment urban LTE_config.eNodeB_tx_power 40 dB LTE_config.scheduler_params.fairness 0.5 LTE_config.show_network 1 LTE_config.inter_eNodeB_distance 700 meter LTE_config.UE_speed 5/3.6 km/h

LTE_config.scheduler round robin % best CQI % prop fair sun

Bảng 3.1. Cấu hình mô phỏng để so sánh hiệu năng giữa các thuật toán

Tại điểm tỷ số lỗ i khối BLER = 10%, kết quả chỉ ra ánh xa ̣ giữa giá tri ̣ SNR và chỉ số CQI tương ứng (xem hình 3.1 và 3.2).

Hình 3.2.Ánh xạ CQI – SNR tại điểm BLER = 10%

 Phân bố eNodeBs và UEs khi sử dụng thuật toán Round Robin

Phân bố UEs và eNodeBs được thể hiện như sau:

Những số bằ ng chấm đỏ thể hiê ̣n phân bố của tất cả các eNodeB trong mạng(19 eNodeBs – 2 rings)

Vùng tô màu xám thể hiê ̣n vùng phủ của eNodeBs được chọn để lập lịch (eNodeB 11)

Những số bằng chấm xám thể hiện phân bố của các cells trong vùng phủ của eNodeB 11 (cell 31, 32, 33)

Những chấm màu xanh thể hiê ̣n vi ̣ trí cuối c ùng của các UE trong vùng phủ của các cell được chọn (20UEs/cell)

Các thông số mô phỏng đươ ̣c hiển thi ̣ bao gồm:

Số lươ ̣ng UEs trong vùng phủ của các cells được cho ̣n

Thông lươ ̣ng người dùng trung bình

Hiê ̣u suất phổ tần trung bình

Lươ ̣ng tài nguyên trung bình được cấp phát RBs/TTI/UE

 Thông lượng người dùng trung bình khi lập lịch bằng Round Robin

Các thông số mô phỏng được hiển thi ̣ bao gồm:

 Số lượng cells được lập lịch

 Số lượng UEs trong vùng phủ của eNodeB

 Thời gian mô phỏng

 Thuâ ̣t toán được dùng để mô phỏng

 Số lươ ̣ng antenna phát

 Số lươ ̣ng antenna thu

 Mô hình truyền MIMO

 Chỉ số cân bằng của hệ thống

 Tốc đô ̣ dữ liê ̣u đỉnh của UEs

 Tốc đô ̣ dữ liê ̣u ta ̣i biên của UE

 Thông lươ ̣ng trung bình cell

 Thông lượng người dùng trung bình khi lập lịch bằng Best CQI Algothrim

 Thông lượng người dùng trung bình khi lập lịch bằng PF Algothrim

Hình 3.6.Thông lượng người dùng khi lập lịch bằng thuật toán PF

 Đánh giá hiệu năng của các thuật toán lập lịch

Round Robin Best Cqi Prop Fair Sun Unit

Bandwidth 20 20 20 Mhz

Selected eNodeB 11 11 11

Number of UEs 20 20 20 UEs/cell

Simulation length 200 200 200 TTI

Transmit mode CLSM 2x2 CLSM 2x2 CLSM 2x2 Average UE throughput 2.39 5.88 3.09 Mb/s Average UE spectral eff 2.85 4.92 3.79 bit/cu Peak UE throughput (95%) 4.05 43.68 4.40 Mb/s Edge UE throughput (5%) 0.58 0 1.11 Mb/s Average cell throughput 47.75 117.61 61.75 Mb/s Fairness index 0.765355 0.096 0.9111

Average RBs/TTI/UE 4.95 5 5 RBs

Ngoài ra để làm rõ hơn sự s o sánh này , ta có thể cha ̣y file

LTE_sim_main_launcher_2x2_CLSM nằm trong folder reproducibility/VTC2010_v2.

Khi cha ̣y M _file này, nó sẽ load dữ liệu từ các file khác gồm CLSM_2x2_RR.mat, CLSM_2x2_BESTCQI.mat, and CLSM_2x2_PROPFAIR.mat. Kết quả được thể hiện ở

các đồ thị đã chỉ ra sự khác nhau đối với hiê ̣u năng của hê ̣ thống khi sử du ̣ng các thuâ ̣t toán Round Robin, Best CQI, Proportional Fair trong mô hình mạng LTE CLSM 2x2.

Hình 3.7.Hàm phân phối tích lũy của thông lượng người dùng

So sánh dựa vào bảng và kết quả mô phỏng ta có thể thấy:

 Khi sử du ̣ng thuâ ̣t toán Best CQI , thông lượng trung bình của UE và củ a cell cũng như hiê ̣u suất sử du ̣ng băng tần là tốt nhấ t. Tuy nhiên Best CQI không đảm bảo được sự cân bằng của toàn hê ̣ thống . Điều này giải thích cho lý thuyết rằng Best CQI luôn đảm bảo những UEs có chỉ số chất lượng kênh truyền CQI cao nhất , tức là điều kiê ̣n kênh truyền tốt nhất được ưu tiên lâ ̣p li ̣ch cấp phát tài n guyên vì vâ ̣y tốc đô ̣ dữ liê ̣u luôn là tốt nhất. Những cũng chính vì vâ ̣y, những UEs ở biên xa tra ̣m cơ sở hoă ̣c có điều kiê ̣n kênh truyền không tốt sẽ không có cơ hô ̣i được c ấp phát tài nguyên vô tuyến dẫn tới hê ̣ thống mất cân bằng .

 Khi sử du ̣ng thuâ ̣t toán Round Robin lâ ̣p li ̣ch cho eNodeBs , hê ̣ thống luôn đảm bảo sự công bằng khi tất cả các UEs được lâ ̣p l ịch một cách luân phiên . Sự chênh lê ̣ch giữa tốc đô ̣ đỉnh và tốc đô ̣ của các UEs ở biên là do suy hao , mất mát cũng như fading đa đường . Tuy nhiên chính viê ̣c không tính toán đến chất lượng kênh truyền cu ̣ thể của từng UE đã làm giảm thông lượng trung bình cũng như hiệu suất sử du ̣ng phổ tần của toàn bô ̣ ma ̣ng.

 Thuâ ̣t toán Proportional Fair đảm bảo sự cân bằng tốt nhất cho toàn hê ̣ thống. Thông lươ ̣ng trung bình của hê ̣ thống vẫn đảm bảo thỏa mãn đượ c chất lươ ̣ng dịch vụ.Tuy vẫn ưu tiên những UEs có chấ t lượng kênh truyền tốt như ng vẫn dành tài nguyên vô tuyến cho những UEs ở biên hoă ̣c chất lượng kênh xấu đảm bảo sự công bằng cho tất cả người dùng.

3.2.2.Thay đổi vận tốc của người dùng

Hình 3.9.Thông lượng người dùng với UE_speed = 0.1km/h, PF scheduler

So sánh kết q uả ta có thể thấy bộ lập lịch PF trong mạng LTE đảm bảo chất lươ ̣ng di ̣ch vu ̣ ổn định đối với người dùng di chuyển tốc đô ̣ châ ̣m khoảng 0 – 5km/h và giảm đáng kể khi UEs tăng tốc.

UE_speed = 100km/h UE_speed = 5km/h UE_speed = 0.1km/h Unit Selected eNodeB 11 11 11 Number of UEs/cell 20 20 20

Simulation length 200 200 200 TTIs

Transmit mode CLSM 2x2 CLSM 2x2 CLSM 2x2

Average UE throughput 0.2 3.09 3.03 Mb/s

Average UE spectral eff 0.49 3.79 3.67 bit/cu Peak UE throughput (95%) 0.44 4.4 4.94 Mb/s Edge UE throughput (5%) 0.02 1.13 1.17 Mb/s Average cell throughput 4.08 61.75 60.66 Mb/s Fairness index 0.698 0.9111 0.0741522

Average RBs/TTI/UE 4.86 5 5 RBs

Bảng 3.3. So sánh hiệu năng khi thay đổi vận tốc người dùng với PF scheduler

3.2.3.Thay đổi mô hình truyền MIMO

Để so sánh hiê ̣u suất của hê ̣ thống khi thay đổi các mô hình truyền MIMO và sử du ̣ng bô ̣ lâ ̣p li ̣ch Round Robin , ta có thể cha ̣y file

LTE_sim_main_launcher_CLSM_comparison nằm trong folder

reproducibility/CLSM_throughput_comparison. Khi cha ̣y M -file này, nó sẽ load dữ

liê ̣u từ các file khác (CLSM_2x2_RR.mat, CLSM_4x2_RR.mat và CLSM_4x4_RR.mat). Kết quả thể hiê ̣n ở đồ thi ̣ so sánh được hiê ̣u suất hê ̣ thống khi sử dùng các mô hình truyền CLSM_2x2, CLSM_4x2, CLSM_4x4.

Dữ liê ̣u được sử du ̣ng:

CLSM_2x2 CLSM_4x2 CLSM4x4

Số antenna phát 2 4 4

Số antenna thu 2 2 4

Mode truyền CLSM CLSM CLSM

Kết quả mô phỏng như sau:

Hình 3.11.Hàm phân phối tích lũy của thông lượng người dùng

Dựa vào kết quả ta có thể thấy khi sử du ̣ng nhiều anten thu phát hơn, bằng kỹ thuâ ̣t ghép kênh không gian và phân tập không gian sẽ làm tốc độ download dữ liệu của UEs tăng và gây ra ít lỗi hơn cho hê ̣ thống.

3.2.4.Thay đổi số lượng người dùng UEs/cell

Thay đổi số lươ ̣ng người dùng được eNodeB phu ̣c vu ̣ trong 1 cell ta thu được mô ̣t số kết quả mô phỏng như sau:

Hình 3.14.Phân bố UEs và cells khi có 50UEs/cell, PF Scheduler

Hình 3.16.Thông lượng trung bình với 50UEs/cell, PF Scheduler

Bảng so sánh kết quả:

5 UEs/cell 20 UEs/cell 50 UEs/cell Unit

Selected eNodeB 11 11 11

Number of UEs/cell 5 20 50

Simulation length 200 200 200 TTI

Transmit mode CLSM 2x2 CLSM 2x2 CLSM 2x2 Average UE throughput 12.39 3.09 1.23 Mb/s Average UE spectral eff 3.78 3.79 3.8 bit/cu Peak UE throughput (95%) 17.91 4.4 1.76 Mb/s Edge UE throughput (5%) 6.2 1.13 0.63 Mb/s Average cell throughput 61.93 58.6 61.35 Mb/s

Fairness index 0.914 0.9111 0.92

Average RBs/TTI/UE 20 5 2 RBs

UE_speed 5 5 5 km/h

Bảng 3.5. So sánh hiệu năng khi thay đổi số UEs/cell với PF scheduler Từ đây ta có thể thấy mô phỏng chỉ thự c hiê ̣n trong trường hợp các UEs di chuyển trong 1 cell cố đi ̣nh . Khi số UEs được phu ̣c vu ̣ trong 1 cell tăng lên , thông lươ ̣ng cũng như hiê ̣u suất phổ tần của cell vẫn không thay đổi thay đổi tuy nhiên tốc

đô ̣ download dữ liê ̣u của người dùng bắt đầu giảm và số lượng tài nguyên vô tuyến RBs/TTI/UE cũng giảm do phải chia sẻ với nhiều UEs hơn . Khi sử du ̣ng thuâ ̣t toán Proportional Fair, hê ̣ thống luôn đảm bảo được chỉ số cân bằng của toàn ma ̣ng .

3.2.5.Thay đổi băng thông hê ̣ thống

Hình 3.17.Thông lượng người dùng với bandwidth = 1.4Mhz, PF scheduler

Bảng so sánh kết quả: Bandwidth =