3.4.1. Tốc độ cập nhật tập tích cực
Tốc độ cập nhật tập tích cực là thời gian giữa các yêu cầu cập nhật tập tích cực liên tiếp bao gồm các sự kiện: thêm vào, xóa bỏ và thay thế. Việc đo này có liên quan đến kích thƣớc(dimensioning) RNC vì báo hiệu cập nhật tập tích cực là tải đối với RNC. Tốc độ cập nhật tập tích cực đƣợc biểu thị trong hình 3.9. Giá trị trung bình trong hình là 12 giây, tức là có 5 lần cập nhật tập tích cực trong 1 phút. Giá trị này phụ thuộc vào tính di động của user, kích cỡ cell, thiết kế mạng và các thông số chuyển giao
Chi phí chuyển giao mềm(SHO overhead) và tốc độ cập nhật tập tích cực có liên quan với nhau: chi phí nhỏ thì tốc độ cập nhật tập tích cực cao
Hình 3.9: Ví dụ về tốc độ cập nhật tập tích cực 3.4.2. Kích thƣớc tập tích cực trung bình Kích thƣớc tập tích cực trung bình đƣợc tính nhƣ sau: N i i N i i average t t i AS 1 1 . (3.15)
Trong đó: Δti là khoảng thời gian mà tập tích cực có kích thƣớc là i. N là kích thƣớc tối đa của tập tích cực.
Ví dụ: Giả sử tập tích cực của một UE có giá trị tối đa là 3. Khoảng thời gian tƣơng ứng với kích thƣớc tập tích cực bằng 1,2,3 có giá trị là 30 phút, 9 phút, 1 phút.
Kích cỡ tập tích cực trung bình là:
AS_average = (1x30 + 2x9 + 3x1)/(30+9+1)=1,275
Kích cỡ tập tích cực trung bình lớn chứng tỏ UE thƣờng xuyên ở trong trạng thái chuyển giao mềm. Do đó, độ lợi phân tập macro và độ lợi kết hợp tín hiệu sẽ cao hơn ở khu vực chất lƣợng tín hiệu kém. Tuy nhiên, càng nhiều BS tham gia vào quá trình chuyển giao mềm thì càng gây khó khăn cho quá trình điều khiển công suất đƣờng lên. Hiện tƣợng thƣờng gặp là hiện tƣợng trôi công suất hƣớng xuống. Sự trôi công suất là trƣờng hợp xảy ra khi thực hiện chuyển giao mềm mà UE gửi một lệnh đơn để điều khiển công suất phát đƣờng xuống đến tất cả các Node B trong tập tích cực. Các Node B sẽ phát hiện các lệnh này một cách độc lập, bởi vì các lệnh này sẽ không đƣợc kết hợp trong các bộ điều khiển mạng RNC do sẽ gây ra nhiều trễ và báo hiệu trong mạng. Chính vì các lỗi báo hiệu trên giao diện vô tuyến, các Node B sẽ phát hiện các lệnh điều khiển công suất theo các cách khác nhau. Có thể một Node B sẽ làm giảm công suất phát của nó tới UE, một Node B khác có thể lại tăng mức công suất phát tới UE. Sự khác nhau đó dẫn đến tình huống công suất đƣờng xuống bắt đầu trôi theo hƣớng khác nhau. Hiện tƣợng này làm giảm hiệu suất chuyển giao đƣờng xuống.
Do đó, cần điều chỉnh các thông số của thuật toán chuyển giao sao cho giá trị kích cỡ tập tích cực trung bình ở mức tối ƣu để vừa đảm bảo độ lợi phân tập vừa giảm sự trôi công suất hƣớng xuống.
CHƢƠNG 4
MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN GIAO
------
4.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
4.1.1. Môi trƣờng vô tuyến của mạng di động
Kiến thức về đặc tính truyền vô tuyến là điều kiện tiên quyết để thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến. Không giống nhƣ truyền thông cố định, môi trƣờng truyền của thông tin di động khá khó dự đoán trƣớc đƣợc. Thông thƣờng, kênh vô tuyến đƣợc mô hình ở trạng thái tĩnh bằng cách sử dụng dữ liệu đo đạc thực tế. Nhiều phƣơng pháp đo đƣợc thực hiện để thu đƣợc đặc tính của môi trƣờng vô tuyến.
Nói chung, tín hiệu fading trong môi trƣờng vô tuyến có thể chia thành 3 loại:
- Thành phần fading diện rộng: tổn hao tuyến. Đây là hiện tƣợng suy giảm cƣờng độ tín hiệu nhận theo khoảng cách gây ra bởi sự phản xạ, nhiễu xạ xung quanh các cấu trúc, và sự khúc xạ.
- Thành phần fading thay đổi chậm: hiệu ứng bóng râm gây ra bởi các chƣớng ngại vật nhƣ tòa nhà, núi đồi, cây….
- Thành phần fading thay đổi nhanh: hiện tƣợng fading đa đƣờng là do sự phản xạ sóng truyền bởi các vật thể (tòa nhà, cây cối …). Sự khác nhau về độ dài của các tín hiệu đa đƣờng dẫn đến trễ truyền khác nhau. Tổng của các thành phần này gây ra fading.
Tùy thuộc vào môi trƣờng vô tuyến, các thông số cho mô hình kênh truyền khác nhau. Theo ITU, có thể chia làm 3 loại môi trƣờng vô tuyến:
- Phƣơng tiện giao thông (Vehicular)
- Ngoài trời và khách bộ hành (Outdoor and pedestrian) - Văn phòng (Indoor Office)
Các môi trƣờng vô tuyến này tƣơng ứng với các loại cell: macro-cell, micro-cell, và pico-cell. Trong luận văn này, chỉ tập trung đến chuyển giao nên ta chỉ mô phỏng hệ thống WCDMA với các macrocell
4.1.2. Mô hình kênh vô tuyến
Giả sử máy thu của thiết bị di động chịu ảnh hƣởng của fading nhanh, mô hình kênh vô tuyến có thể đƣợc mô hình hóa bằng tích của suy hao đƣờng truyền với suy hao do fading. Với khoảng cách từ thiết bị di động đến BS đang phục vụ, suy hao truyền đƣợc
(4.1)
Trong đó: α là hệ số lũy thừa của suy hao đƣờng truyền với giá trị tiêu chuẩn là 4 δ (dB) là biến ngẫu nhiên có phân bố Gauss với giá trị trung bình là 0 và độ lệch chuẩn σ , biểu diễn suy hao do hiệu ứng bóng râm. Độ lệch chuẩn σ không phụ thuộc vào khoảng cách r, nó có giá trị trong khoảng 5 - 12 dB, và giá trị tiêu chuẩn là 8-10 dB đối với macro-cell.
Suy hao do bóng râm thì tƣơng quan giữa các BS. Có thể biểu diễn thành phần ngẫu nhiên của suy hao do bóng râm cho BS thứ i là:
δi = a ξ +b ξi (4.2)
trong đó: a ξ là chung cho tất cả BS
b ξi là thành phần riêng cho từng BS nhất định, và nó độc lập từ BS này đến BS khác.
a,b thỏa điều kiện: a2 + b2=1
E(δi) = E(ξ) = E(ξi) = 0 với mọi i; (4.3)
var(δi) = varE(ξ) = varE(ξi) = σ với mọi i; (4.4)
E(ξξi)=0 với mọi i; (4.5)
E(ξiξj)=0 với mọi i và j, i ≠ j; (4.6)
Hệ số tƣơng quan chuẩn hóa của suy hao giữa 2 BS, BSi và BSj là E(δi δj)/σ2
= a2 = 1-b2 (4.7) Thông thƣờng, a2
= b2 = ½
4.1.3. Viễn cảnh hệ thống
Hình 4.1 biểu diễn viễn cảnh hệ thống với 19 cell. Các BS đƣợc phân bố theo dạng lƣới lục giác
Khu vực gần đƣờng bao cell đƣợc tô màu biểu thị vùng chuyển giao. Tất cả các thiết bị di động trong khu vực này sẽ trong trạng thái chuyển giao, sẽ kết nối với 2 hoặc nhiều hơn các BS cùng lúc. Trong hình 4.1, hình dạng của khu vực không chuyển giao là đƣờng tròn nhƣng trong thực tế, hình dạng của khu vực chuyển giao phụ thuộc vào thuật toán chuyển giao và chi phí chuyển giao mềm (chi phí chuyển giao mềm đƣợc định nghĩa là tổng số kết nối chia cho tổng số user trừ đi một. Khi chỉ xét chuyển giao 2 đƣờng, thì chi phí chuyển giao mềm bằng tỉ số giữa số user trong trạng thái chuyển giao mềm trên tổng số user ở trạng thái tích cực.
4.2. ẢNH HƢỞNG CÁC THÔNG SỐ CỦA THUẬT TOÁN ĐẾN HIỆU SUẤT CHUYỂN GIAO CHUYỂN GIAO
4.2.1. Cửa sổ thêm vào
Cửa sổ thêm vào xác định sự sai lệch tƣơng đối Ec/I0 giữa các cell (thuật toán ngƣỡng tƣơng đối) hay đƣa ra ngƣỡng cứng (thuật toán ngƣỡng tuyệt đối) để thêm một BS vào tập tích cực của UE. Cửa sổ thêm vào cần đƣợc tối ƣu hóa để chỉ đƣa vào tập tích cực những BS thích hợp. Giá trị này quá lớn hay quá nhỏ đều làm giảm dung lƣợng hệ thống. Hình 4.2 mô tả sự ảnh hƣởng đó đối với thuật toán chuyển giao ngƣỡng tƣơng đối.
Cửa sổ thêm vào (Addition window) Vùng chuyển giao mềm quá rộng Vùng chuyển giao mềm quá nhỏ Tăng chi phí chuyển giao mềm Thêm vào các BS không cần thiết Giảm độ lợi phân tập macro hướng
lên
Cập nhật tập tích cực thường xuyên
Giảm dung lượng hướng lên Tăng chi phí báo
hiệu Giảm dung lượng
hướng xuống quá lớn
quá nhỏ
Hình 4.2: Ảnh hưởng của cửa sổ thêm vào đến hiệu suất chuyển giao
4.2.2. Cửa sổ xóa
Cửa sổ xóa đƣợc thiết lập tƣơng đối với cửa sổ thêm vào. Thông số này thƣờng lớn hơn cửa sổ thêm vào. Tuy nhiên, nếu cửa sổ xóa quá lớn, các cell không tốt vẫn nằm trong tập tích cực, dẫn đến giảm dung lƣợng hƣớng lên và hƣớng xuống. Nếu cửa sổ xóa quá nhỏ, sẽ gây ra hiện tƣợng ping-pong dẫn đến các chuyển giao không cần thiết và làm
tăng báo hiệu có liên quan đến chuyển giao. Hình 4.3 minh họa sự tác động này với thuật toán chuyển giao ngƣỡng tƣơng đối.
Cửa sổ xóa bỏ (Drop window) Các BS không cần thiết trong tập tích cực Chuyển giao thường xuyên Tăng chi phí chuyển giao mềm Vùng chuyển giao quá lớn
Tăng chi phí báo hiệu
Giảm dung lượng hướng xuống quá lớn
quá nhỏ
Hình 4.3: Ảnh hưởng của cửa sổ xóa đến hiệu suất chuyển giao
4.2.3. Cửa sổ thay thế
Cửa sổ thay thế đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp thay thế một BS trong tập tích cực. Nó xác định ngƣỡng tƣơng đối để UE khởi tạo sự kiện 1C. Một cell có thể thay thế cell yếu nhất trong một tập tích cực đầy nếu sự sai biệt P-CPICH của các cell bằng hoặc lớn hơn ngƣỡng. Ảnh hƣởng của cửa sổ thay thế đƣợc chỉ ra trong hình 4.4. Trong trƣờng hợp ngƣỡng quá lớn, sự thay thế diễn ra quá chậm, làm cho tập tích cực không tối ƣu. Điều này dẫn đến tăng công suất truyền và do đó làm giảm dung lƣợng, chất lƣợng hƣớng lên và hƣớng xuống. Nếu ngƣỡng quá nhỏ dẫn đến việc thay thế diễn ra thƣờng xuyên làm tăng chi phí báo hiệu.
Cửa sổ thay thế (Replacement
window)
Tập tích cực không tối ưu
Thực thi các chuyển giao không cần thiết Tăng công suất truyền của MS Tăng công suất truyền BS Tăng tải hướng lên Tăng chi phí báo hiệu Tăng tải hướng xuống quá lớn quá nhỏ Tăng tỉ sổ nghẽn và rớt cuộc gọi Giảm tỉ lệ thiết lập cuộc gọi thành công Giảm lưu lượng cuộc gọi hướng lên/hướng xuống
4.2.4. Kích thƣớc tập tích cực tối đa
Ảnh hƣởng kích thƣớc tập tích cực đến hiệu suất chuyển giao, trong trƣờng hợp kích thƣớc tập tích cực tối đa lớn chỉ là thứ yếu. Nếu điều chỉnh các thông số chuyển giao mềm sao cho các BS ứng viên đƣa vào tập tích cực một cách hiệu quả nhât, thì ảnh hƣởng việc điều chỉnh thông số kích thƣớc tập tích cực tối đa là không đáng kể. Do đó, ngƣời ta thƣờng tối ƣu hiệu suất chuyển giao với các thông số cửa sổ trƣớc. Ảnh hƣởng của kích thƣớc tập tích cực tối đa đƣợc biểu diễn trong hình 4.5.
Kích cớ tập tích cực tối đa Có khả năng thêm vào BS không cần thiết Cản trở sự thêm vào nhánh chuyển giao cần thiết quá lớn quá nhỏ
Giảm hiệu suất do sự sai khác mức công suất giữa các tín hiệu trong tập tích cực Tăng chi phí chuyển giao mềm Đòi hỏi công suất truyền cao
hơn đến MS Đòi hỏi công suất truyền của
MS cao hơn
Tăng công suất truyền MS
Tăng công suất truyền BS
Giảm hiệu suất BLER hướng
xuống Giảm hiệu suất
BLER hướng lên Giảm dung lượng hướng lên Giảm dung lượng hướng xuống Tăng tỉ số nghẽn/rớt cuộc gọi
Hình 4.5: Ảnh hưởng của kích thước tập tích cực tối đa đến hiệu suất chuyển giao
4.3. MÔ PHỎNG
4.3.1. Thông số mô phỏng
Công suất phát trạm gốc P 20 W Bán kính cell r 3 km Độ lệch chuẩn suy hao bóng râm σ 6 dB Tốc độ bit dịch vụ R 12,2 kbps Tốc độ di chuyển của user v 10 m/s Hệ số trực giao a 0.6 Kích thƣớc tối đa tập tích cực N 3
Trọng số β 0 Khoảng báo cáo sự kiện 1A R1A 1-15 dB Khoảng báo cáo sự kiện 1B R1B R1B=R1A+2 Thông số trễ sự kiện 1A, 1B, 1C H1A=H1B=H1C 2 dB Ngƣỡng tuyệt đối cho sự kiện 1E T_add 1-20dB Ngƣỡng tuyệt đối cho sự kiện 1F T_drop T_drop=T_add-2 Thông số trễ sự kiện 1E, 1F HA=HD=HR 2 dB
Bảng 4.1: Các thông số mô phỏng
- Quỹ đạo di chuyển của UE: Giả sử UE di chuyển từ vị trí x=-3000m đến vị trí x=3000m theo đƣờng thẳng y=2200m nhƣ hình 4.6
Hình 4.6: Quỹ đạo di chuyển của UE trong mô phỏng
4.3.2. Kết quả mô phỏng
Hình 4.7: Ảnh hưởng của ngưỡng thêm vào đến số lần chuyển giao đối với thuật toán ngưỡng tương đối
Hình 4.8: Ảnh hưởng của ngưỡng thêm vào đến kích thước tập tích cực trung bình đối với thuật toán ngưỡng tương đối
Hình 4.9: Ảnh hưởng của ngưỡng thêm vào đến tốc độ cập nhật tập tích cực đối với thuật toán ngưỡng tương đối
4.3.2.2. Thuật toán chuyển giao ngƣỡng tuyệt đối
Hình 4.10: Ảnh hưởng của ngưỡng thêm vào đến số lần chuyển giao đối với thuật toán ngưỡng tuyệt đối
Hình 4.11: Ảnh hưởng của ngưỡng thêm vào đến kích cỡ tập tích cực trung bình đối với thuật toán ngưỡng tuyệt đối
Hình 4.12: Ảnh hưởng của ngưỡng thêm vào đến tốc độ cập nhật tập tích cực đối với thuật toán ngưỡng tuyệt đối
4.3.3. Nhận xét kết quả
4.3.3.1. Thuật toán ngƣỡng tƣơng đối
Khi giá trị ngƣỡng thêm vào lớn, các BS dễ đƣợc đƣa vào tập tích cực hơn. Do giá trị ngƣỡng xóa đƣợc thiết lập tƣơng đối với ngƣỡng thêm vào (R1B=R1A+2) nên giá trị này cũng lớn tƣơng ứng. Điều này dẫn đến các BS khó bị xóa khỏi tập tích cực hơn. Do đó, số lần chuyển giao nhỏ (hình 4.7) và kích thƣớc tập tích cực trung bình lớn (hình 4.8). Ngƣợc lại khi giá trị ngƣỡng thêm vào nhỏ, giá trị ngƣỡng xóa nhỏ, các BS khó đƣợc đƣa vào tập tích cực và dễ bị xóa khỏi tập tích cực. Vì thế, số lần chuyển giao lớn nhƣng kích thƣớc tập tích cực trung bình nhỏ.
Giá trị tốt nhất cho ngƣỡng thêm vào R1A=3dB, khi đó số lần chuyển giao là 221 lần, và kích thƣớc tập tích cực trung bình là 1,39. Giá trị này phù hợp với giá trị đƣa ra trong phần lý thuyết.
4.3.3.2. Thuật toán ngƣỡng tuyệt đối
Đối với thuật toán ngƣỡng tuyệt đối, giá trị ngƣỡng thêm vào (ngƣỡng cứng) cần đƣợc thiết lập phù hợp với công suất Eb/I0 trung bình nhận đƣợc. Nếu đƣa ra các ngƣỡng thêm vào quá nhỏ trong khi công suất Eb/I0 nhận đƣợc quá lớn dẫn đến vùng chuyển giao lớn tăng chi phí chuyển giao. Trong hình 4.11, nếu giá trị ngƣỡng thêm vào trong khoảng 1-8 dB, kích thƣớc tập tích cực trung bình luôn bằng 3, nghĩa là UE luôn trong trạng thái chuyển giao mềm 3 đƣờng. Việc này làm cho xác suất xảy ra sự trôi công suất hƣớng xuống cao hơn dẫn đến giảm hiệu suất chuyển giao.
Giá trị tốt nhất cho ngƣỡng thêm vào T_add nằm trong khoảng 12-14dB đối với mô hình mô phỏng trên.
KẾT LUẬN
Luận văn đã đề cập đến các tiêu chí đánh giá chung cho các thuật toán chuyển giao. Các kết quả phân tích hiệu suất cấp đường dẫn được sử dụng để tính toán mô phỏng mô hình mạng tế bào. Khi so sánh tính hiệu quả các thuật toán chuyển giao người ta thường dựa chủ yếu trên các thông số hiệu suất sử dụng tài nguyên như số lần chuyển giao, tốc độ cập nhật tập tích cực và kích thước tập tích cực trung bình. Một thuật toán chuyển giao hiệu quả cần có số lần chuyển giao nhỏ, kích thước tập tích cực trung bình lớn và tốc độ cập nhật tập tích cực thấp. Để đạt được mục tiêu đó, các thông số của thuật toán cần được thiết lập phù hợp với hiện trạng của mạng dựa trên các kết quả kiểm tra, đo thử.
Hiện nay với sự phát triển của công nghệ GPS, ta có thể xác định dễ dàng vị trí của thuê bao di động. Từ đó, ta có thể tính toán khoảng cách từ UE tới Node B đang phục vụ và các Node B đo đạc được. Để nâng cao hiệu quả của thuật toán