3.1. Thuật tốn Round Robin (RR)
Thuật toán RR[ CITATION Schedulungtheodecuong \l 1033 ] hoạt động dựa trên cơ chế cho phép người dùng sử dụng các nguồn tài nguyên trong các lượt khác nhau trong cùng một lúc. Khi bắt đầu, người dùng sẽ được đánh dấu ngẫu nhiên trong hàng đợi và người dùng mới sẽ được đặt cuối hàng đợi. Người dùng đầu tiên sẽ được gửi toàn bộ nguồn tài nguyên có sẵn sau đó được đặt trở lại cuối hàng chờ.
Hình 3.1: Sơ đồ giải thuật RR.[ CITATION HinhRR \l 1033 ]
Ưu điểm RR là trong cùng một thời gian nguồn tài nguyên được cung cấp cho một người dụng xác định cụ thể.
Nhược điểm RR là do cung cấp chất lượng dịch vụ như nhau cho các người dùng, nên thiết bị đầu cuối có thể gặp phải chất lượng kênh kém tại một thời điểm cụ thể và do đó cần nhiều thời gian chờ hơn.
3.2. Thuật tốn Queue Based Max CIR (QBMC)
Thuật toán QBMC[ CITATION Schedulungtheodecuong \l 1033 ] sẽ ưu tiên cho người dùng một liên kết tức thời với các điều kiện liên kết vô tuyến tốt nhất và một phiên bản thay đổi của lịch trình max-CIR ( hoặc tỉ lệ tối đa ). Nó sẽ đưa ra các xem xét các thơng tin liên quan đến kích thước hàng đợi của bộ đệm truyền của mỗi người dùng. Các liên kết vô tuyến với cell thay đổi theo thời gian diễn ra một cách độc lập, mỗi thời điểm gần như ln có một kết nối vơ tuyến có chất lượng kênh đạt gần đỉnh của nó. Các giá trị ưu tiên cho người dùng thứ i được tính như sau:
Pi = CiRimax (3.1)
Ri: Giá trị CIR
Ci: kích thước bộ đệm trong số bit chưa truyền đi.
Ưu điểm: Công suất hệ thống tốt
Nhược điểm: Các thiết bị đầu cuối trên mức trung bình sẽ phải đối mặt với điều kiện kênh tương tự và sự khác biệt giữa các kênh xảy ra như đa pha, thiết bị đầu cuối sẽ có tốc độ dữ liệu trung bình như nhau. Sự khác biết về tỷ lệ dữ liệu xảy ra nhanh khi truyền dữ liệu thường gây khó khăn cho vấn đề đo khoảng cách và shadow fading. Các thiết bị đầu cuối với điều kiện kênh xấu thì thường xun khơng bao giờ lên lịch trình.
3.3. Thuật tốn Proportional Fair (PF)
PF[ CITATION Schedulungtheodecuong \l 1033 ] là thuật toán kết hợp giữa RR và Maximum CIR dựa trên phương pháp cung cấp cho người dùng với tốt độ dữ liệu tức thời cao nhất dựa trên tốc độ dữ liệu trung bình. Giá trị ưu tiên được xác định như sau:
(3.2) : Tốc độ dữ liệu tức thời của người dùng thứ i
Tốc độ dữ liệu trung bình của người dùng thứ i
Quan điểm của phương trình ưu tiên ở trên nhằm cân bằng việc tối đa hóa thơng lượng của hệ thống và sự cơng bằng giữa các người dùng có một mức tối thiểu của dịch vụ. Thuật tốn PF tốt cho lưu lượng khơng thời gian thực và thuật tốn PF có thể cung cấp cùng mức độ ưu tiên như thuật toán RR.
3.4. Thuật toán Weighted Proportion Fair (WPF)
WPF[ CITATION Schedulungtheodecuong \l 1033 ] tương tự như thuật toán PF, nhưng sẽ được cố định bằng các trọng số ở lớp dịch vụ Si cho người dùng thứ i theo công thức dưới đây:
(3.3) Đây là cách đơn giản để thiết lập trật tự ưu tiên giữa các lớp dịch vụ khác nhau. Độ ưu tiên của lớp dịch vụ cao hơn giá trị trọng số.
3.5. Thuật toán Modified Largest Weighted Delay First (M-LWDF)
M-LWDF[ CITATION Schedulungtheodecuong \l 1033 ] thích hợp để hỗ trợ cho người dùng với lưu lượng dữ liệu thời gian thực trong hệ thống mạng khơng dây. Nó có thể phù hợp với nhiều người dùng với sự thay đổi các yêu cầu QoS. Nguyên tắc lịch trình M-LWDF cung cấp cân bằng giữa trọng số độ trễ giữa gói dữ liệu và dùng sự hiểu biết về hiệu quả của trạng thái kênh. Tại khe thời gian thứ t trên RB k, chọn người dùng thứ j để truyền như sau:
(3.4) là biểu thị tốc độ dữ liệu tương ứng với trạng thái kênh của người dùng thứ i tại khe thời gian t và trên khối tài nguyên k.
là tốc độ dữ liệu trung bình được hỗ trợ bởi kênh. là HOL độ trễ gói tin.
Với i = 1,…,N trọng số theo yêu cầu mức độ QoS. là xác suất lớn nhất khi mà u cầu trì hỗn có thể coi là bị vi phạm. là độ trễ lớn nhất mà người dùng i có thể chịu đựng.
Hình 3.2: Lịch trình M-LWDF.[ CITATION HinhMLWDF \l 1033 ]
Thuật toán M-LWDF[ CITATION HinhMLWDF \l 1033 ] hỗ trợ nhiều người sử dụng dữ liệu với các QOS khác nhau, mỗi khe thời gian của M-LWDF phục vụ người dùng với mức ưu tiên cao nhất. Thuật toán M-LWDF tương đối dễ thực hiện vì lịch trình chỉ cần đóng dấu thời gian gói dữ liệu đến và theo dõi chiều dài hàng đợi, đạt được tỷ lệ mất gói tin tương đối thấp (PLR) với thông lượng tốt và công bằng về hiệu suất như khi nó đưa vào xem xét HOL độ trễ gói tin với đặc tính PF khi xác định người dùng được ưu tiên.
3.6. Thuật toán Exponential Proportional Fair
EXP/PF[ CITATION Schedulungtheodecuong \l 1033 ] là thuật toán được thiết kế hỗ trợ ứng dụng đa phương tiện trong điều chế thích nghi về mã hóa và thời gian phân tập kênh hệ thống (ACM/TDM). Điều này có nghĩ người dùng dịch vụ có thể là thời gian thực hoặc khơng thời gian thực với mức độ ưu tiên ở dịch vụ thời gian thực cao hơn dịch vụ không thời gian thực. Tại khe thời gian thứ t, EXP chọn người dùng thứ j để truyền như sau:
(3.5) Các thơng số trên đều giống với lịch trình M-LWDF ngoại trừ:
(3.6) Khi độ trễ gói tin cho tất cả người dùng không khác nhau, Giới hạn Exp sẽ gần 1 và quy tắc EXP sẽ xử lý như quy tắc PF. Nếu người dùng có độ trễ HOL rất lớn
thì giới hạn EXP sẽ chiếm quyền các kênh trạng thái liên quan và người dùng sẽ được ưu tiên. EXP/PF có tối ưu thơng lượng nên được dùng trong việc chuẩn bị gửi đi trong hàng chờ tại các trạm có tính ổn định.
3.7. Thuật tốn kết hợp M-LWDF hoặc EXP/PF với virtual token.
Theo[ CITATION VT \l 1033 ] với sự tăng nhanh về dữ liệu dẫn đến hàng đợi dài và gói tin bị trễ nên ta nên kiểm sốt hàng đợi để trích lập dự phịng QoS. Hai lịch trình M-LWDF và EXP/PF đều được lịch trình dựa trên sự chậm trễ gói tin sẽ kết hợp với virtual token nhằm mục đích xem xét độ trễ và đảm bảo khả năng cung cấp một luồng thông lượng tối thiểu. Để làm vậy, một virtual token được gắn với mỗi luồng.
(3.7)
Qi(t) là độ dài hàng đợi token. ri : tốc độ token không đổi.
Vi(t): Độ trễ của token thứ i trong hàng đợi.
Từ đó ta thay đổi Wi(t) trong M-LWDF và EXP/PF bằng Vi(t), ta được:
- M-LWDF-VT:
(3.8)
- EXP/PF-VT:
(3.9)
3.8. Frame Level Scheduler (FLS).
FLS[ CITATION FLS \l 1033 ] là thuật tốn lịch trình gói tin QoS (Chất lượng dịch vụ) cho giao tiếp đường xuống RT. FLS sử dụng hai mức lịch trình khác nhau (mức trên và mức dưới) tương tác với nhau để phân bố RBs động đến người dùng. Ở mức trên, lập kế hoạch phân bổ tài nguyên, sử dụng kiểm sốt vịng lặp tuyến tính D-T (Discrete-Time). FLS xác định số lượng các gói dữ liệu mà một nguồn RT phải truyền frame by frame để đáp ứng cho sự hạn chế chậm trễ của nó. Ở mức dưới, ở mỗi TTI, RB được phân bổ cho các UE sử dụng chương trình PF (đề xuất trong
[11]) với yêu cầu băng thơng của FLS, lịch trình ở mức thấp xác định số TTIs/RBs thơng qua mỗi nguồn RT sẽ gửi chính gói dữ liệu của nó, số lượng dữ liệu được truyền đi như sau:
(3.10) : số dữ liệu được truyền bởi luồng thứ i và khung LTE thứ k.
: đáp ứng xung : mức hàng chờ
Phương trình trên cho thấy được thu bằng cách lọc tín hiệu qua một bộ lọc tuyến tính với thời gian bất biến và đáp ứng xung
3.9. Exponential Rule
Exponential rule[ CITATION FLS \l 1033 ] là chiến lược lịch trình nhằm nhận biết kênh/QoS, được đề xuất để cung cấp đảm bảo QoS đến người dùng thông qua việc chia sẽ liên kết không dây. EXPRULE xem xét điều kiện kênh và trạng thái hàng chờ trong khi đưa ra quyết định lịch trình như sau:
The Exponential (Queue length) rule (EXP-Q) chọn một hàng đợi duy nhất cho dịch vụ trong khe thời gian t:
(3.11) Khi:
The Exponential (Waiting time) rule (EXP-W) lựa chọn để phục vụ một hàng đợi:
(3.12)
3.10. LOG Rule
LOG Rule[ CITATION FLS \l 1033 ] được thiết kế với chiến lược nhận biết
kênh và Qos để cung cấp một thuật toán cân bằng QoS về sức chịu đựng và độ trễ trung bình. Tương tự như EXP rule, LOG rule phân bổ dịch vụ đến người dùng với mục đích tăng tối đa thơng lượng của hệ thống hiện tại bằng cách xem xét lưu lượng truy cập và trạng thái kênh được biết đến. Khi hàng đợi của người dùng trạng thái q và hiệu suất kênh quang phổ là K:
Lịch trình LOG rule cho người dùng thứ i
(3.13) : các hằng số dương cố định.
: độ dài hàng chờ
CHƯƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GÍA
4.1. Giới thiệu chương trình mơ phỏng LTE-Sim
LTE-Sim được phát triển bởi http://telematics.poliba.it là phần mềm mô phỏng mã nguồn mở để mô phỏng mạng LTE về các thành phần E-UTRAN, EPS. LTE- Sim hỗ trợ môi trường singel/mutil cell, quản lý QoS, tính di động của người dùng, kỹ thuật tái sử dụng tần số và các kỹ thuật lịch trình.
LTE-Sim[ CITATION LTESimTUTO \l 1033 ] có cấu trúc mạng gồm tập hợp bởi một tập hợp của các thành phần như eNodeB, UE, MME/GW được phân bố trong cell trong một bán kính nhất định. Ngồi ra cịn hỗ trợ một số chức năng của mặt phẳng báo hiệu và mặt phẳng dữ liệu bởi các lớp giao thức xếp chồng như: RRC, PDCP và các thực thể MAC. eNodeB quản lý tài nguyên vô tuyến cho việc truy cập mạng vơ tuyến và lịch trình cho cả đường lên và đường xuống được xác định thành các thực thế MAC. Bên cạnh đó LTE-Sim cung cấp các kịch bản truyền khác nhau về môi trường truyền và vận tốc truyền với hệ số suy hao dựa trên tiêu chuẩn WINNER II.
Thông số QoS[ CITATION LTE10 \l 1033 ] được cung cấp bởi các luồng thông tin đường lên hoặc đường xuống thông qua kênh dữ liệu vô tuyến giữa eNodeB và UE để xác định yêu cầu về lưu lượng, độ trễ gói tin đồng thời phân loại và đánh giá mức độ ưu tiên dành cho các gói tin. Mỗi kênh dữ liệu EPS có các thơng số QoS bao gồm QCI, ARP và AMBR.
QoS Class Identifier (QCI): là đại lượng vô hướng được sử dụng để tham chiếu các tham số truy cập vào các node cụ thể để điều khiển việc chuyển tiếp các gói dữ liệu người dùng đã được cấu hình bởi nhà cung cấp như: trọng số lịch trình, ngưỡng truy cập (admission thresholds), quản lý ngưỡng hàng đợi hay cấu hình giao thức lớp liên kết.
Allocation and Retention Priority (ARP): Mục đích chính của ARP là quyết định yêu cầu thiết lập hoặc thay đổi một kênh dữ liệu khi có yêu cầu về việc chấp nhận hoặc cần bị từ chối trong trường hợp nguồn tài nguyên hạn chế. Ngồi ra, ARP có thể được sử dụng bởi eNodeB để quyết định các kênh dữ liệu nào có thể bị giảm trong trường hợp nguồn tài nguyên bị hạn chế.
Guaranteed Bit Rate (GBR): Tốc độ bit có thể được dự kiến được cung cấp bởi một kênh dữ liệu.
Các gói tin vận chuyển bởi một kênh dữ liệu vô tuyến được tạo ra ở lớp ứng dụng có các dạng lưu lượng truy cập khác nhau: trace-based, VoIP, CBR, và infinite-buffer.
Trace-based[ CITATION Pat12 \l 1033 ] là ứng dụng gửi các gói tin dựa trên chuẩn nén video H264 nhằm mục đích mã hóa video đạt hiệu quả cao nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của lưu lượng mạng dành cho video với các kịch bản khác nhau như 128 kbps, 242 kbps và 440 kbps.
Voice over Internet Protocol (VoIP)[ CITATION LTESimTUTO \l 1033 ] là ứng dụng được thiết lặp theo lưu lượng thoại chuẩn G.729[CITATION wikiG729 \l 1033 ] có các luồng thoại được mơ phỏng bằng các chu kỳ lắng nghe ON/OFF. Nếu chu kỳ ON, nguồn gửi các gói tin có kích thước 20 bytes mỗi 20 ms, trong khi chu kỳ OFF thì tốc độ bằng 0. Chuẩn G.729 hoạt động ở tốc độ bit là 8 kbps trong trường hợp thoại bình thường, 6,4 kbps trong trường hợp thoại kém và có thể đạt 11,8 kbps trong trường hợp thoại tốt.
Constant bit rate (CBR)[CITATION CBR \l 1033 ] là ứng dụng mã hóa dữ liệu có tốc độ bit là hằng số nên kích thước gói tin và thời gian đến giữa các gói tin có thể được xác định, phù hợp cho ứng dụng đa phương tiện bị giới hạn dung lượng kênh.
Infinite-Buffer[ CITATION LTESimTUTO \l 1033 ] là ứng dụng ln có các gói tin để gửi và bộ đệm khơng bị giới hạn kích thước.
4.2. Cấu trúc kênh và quản lý tài nguyên trong LTE-Sim[ CITATION LTESimTUTO \l 1033 ]
LTE-Sim thực hiện một số chức năng về mặt phẳng báo hiệu và mặt phẳng dữ
liệu trong giao thức xếp chồng LTE bằng cách tại lớp giao thức xếp chồng được tạo ra như một vùng chứa các thành phần RRC, PDCP và MAC. Một thực thể RLC được tạo bởi ra cho mỗi kênh dữ liêu vô tuyến riêng. Quản lý thực thể RRC cho cả đường lên và đường xuống nhằm phân loại gói tin cho các kênh dữ liệu vơ tuyến thích hợp. Thực thể PDCP cung cấp việc nén tiêu đề của các gói tin đến các lớp trên sẽ được đưa vào một hàng đợi MAC thích hợp. Mơ hình thực thể RLC truyền dữ liệu khơng được xác nhận tại lớp RLC vì tại lớp RLC được sử dụng nhiều ở chế độ truyền dữ liệu với ứng dụng nhạy cảm với độ trễ và chịu đựng được lỗi (như VoIP và Video). Chức năng quan trọng nhất tại lớp RLC là phân mảnh và kết nối với các đơn vị dữ liệu dịch vụ. Thực thể MAC cung cấp giao diện vật lý để vận chuyển gói
tin giữa thiết bị người dùng và eNodeB, lớp AMC được thiết lập đồng thời bổ sung các chức năng lịch trình gói tin cho cả đường lên và đường xuống.
Hình 4.2: Giao thức xếp chồng mặt phẳng dữ liệu LTE-Sim.
Gói tin trong LTE được thể hiện bằng ba biến sau để xác định loại đối tượng gói tin: m_timeStamp, m_size, m_packetHeader. Biến m_timeStamp thể hiện gói tin được tạo ra ở lớp ứng dụng được dùng để tính tốn độ trễ gói tin một chiều, sử dụng cho mục đích thống kê và lên chiến lược lịch trình. Các giá trị m_size và
m_packetHeader lần lượt đại diện cho kích thước gói tin tùy loại ứng dụng và các
giao thức mào đầu được thêm vào gói tin. User Datagram Protocol (UDP) là giao thức vận chuyển gói tin được dùng trong LTE-Sim, ta có thể thêm các giao thức vận chuyển khác vào phần mở rộng lớp vận chuyển.
Hoạt động lịch trình trong LTE-Sim ở đường xuống: Mỗi subframe sẽ được lựa chọn luồng có thể lịch trình. Các luồng được lịch trình nếu có gói dữ liệu để truyền tại lớp MAC. Sẽ gán vào i flow và k subchannel và lịch trình sẽ tính tốn chọn giá trị lớn nhất để lựa chọn gói tin được truyền theo sau: Tại eNodeB tạo danh sách các luồng đường xuống có các gói tin để truyền tải. Trong danh sách lịch trình, chiều dài hàng đợi MAC và phản hồi CQI được lưu trữ cho mỗi luồng. Metric được tính tốn cho các luồng được lịch trình. eNodeB sẽ gán mỗi subchannel cho luồng có
metric lớn nhất. eNodeB gán mỗi subchannel cho luồng hiện tại có giá trị metric lớn nhất, và xem xét sử phân bổ tài nguyên và hạn mức dữ liệu mà mỗi luồng được gửi đi, các thơng tin của gói tin trong danh sách luồng được lịch trình sẽ được xóa sau khi luồng gửi gói tin đi. Đối với mỗi luồng lịch trình, eNodeB tính tốn kích thước khối vận chuyển, hạn mức dữ liệu được truyền đi ở lớp MAC trong TTI hiện tại. Cụ thể, eNodeB sử dụng AMC module được xác định trong lớp vật lý để ánh xạ phản hồi CQI với MCS để lấy kích thước khối vận chuyển từ MCS đã chọn như trong 3GPP TS 36.213 [ CITATION PHYLTE \l 1033 ].
Cấu trúc các thành phần trong LTE-Sim: