CHƯƠNG 3: CƠ CHẾ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG WIMAX
3.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến
3.2.1 Tổng quan quản lý tài nguyên vô tuyến mạng không dây
Tài nguyên vô tuyến là bề rộng phổ cho phép để truyền tin [21]. Vấn đề của
thống hoạt động với chất lƣợng tốt nhất và với tốc độ truyền số liệu cao nhất. Với chất lượng càng cao và tốc độ truyền số liệu cao, người ta nói hệ thống có hiệu suất sử dụng phổ tín hiệu cao.
Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM - Radio Resource Management) là một trong những vấn đề thách thức nhất và quan trọng nhất của các mạng thông tin vô tuyến hiện đại. Một chiến lƣợc quản lý tài nguyên vô tuyến hiệu quả và thông minh có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống . Lấy ví dụ, một hệ thống CDMA (Code Division Multiple Access) có thể cải thiện dung lƣợng đáng kể so với hệ thống TDMA (Time Division Multiple Access). Có đƣợc điều đó không phải do bất cứ tiến bộ nào về xử lý đƣợc cung cấp bởi các kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS) hay trải phổ nhảy tần (FH-SS). Trong thực tế, từ góc nhìn của lý thuyết thông tin, một tín hiệu CDMA có cùng dung lƣợng với một tín hiệu TDMA.
Điểm khác biệt giữa hai phương thức đa truy cập này là CDMA cung cấp một lợi thế về quản lý tài nguyên vô tuyến không có ở các hệ thống TDMA.
Lợi thế dễ nhận thấy nhất đó là hệ số tái sử dụng tần số lý thuyết của CDMA bằng 1, và các hệ thống CDMA có khả năng cấp phát lại băng thông tự động trong lúc không thoại. Tuy nhiên, một nhìn nhận đúng đắn về các thuật toán RRM thường yêu cầu sự hiểu biết về một số các quá trình phức tạp khác liên quan. Do đó những vấn đề cần xem xét khi phân tích một thuật toán RRM có thể là rất lớn. Vấn đề này lại còn phức tạp hơn trong các thuật toán RRM phân tán động (distributed dynamic RRM algorithms), ở đó xảy ra các quá trình quyết định khác nhau tương tác lẫn nhau.
Ta có thể đƣa ra một định nghĩa về quản lý tài nguyên vô tuyến RRM nhƣ sau: RRM là một vấn đề ràng buộc tối ƣu hóa có tính chất thống kê, và có thể dạng thức hóa nhƣ sau:
Đƣa ra một triển khai hạ tầng nhất định (các ràng buộc), cấp phát các tài nguyên (các biến) sao cho (lý tưởng hóa) tối đa hoặc tối thiểu một số các tham số hoạt động (các hàm mục đích).
Cần phải chú ý đến tầm quan trọng của đặc tính thống kê trong RRM bởi vì nó khác với hầu hết các vấn đề tối ƣu hóa về toán học khác. Do đó, khi đánh giá các hàm mục đích của RRM thì một số đo đạc, thống kê thường được sử dụng.
Lấy một ví dụ, đó là kỳ vọng của số cuộc gọi bị hủy và phương sai của số cuộc gọi bị hủy sẽ đƣợc chọn để đánh giá hơn là chọn một con số cụ thể nào đó.
3.2.2 Mục đích của quản lý tài nguyên vô tuyến trong các mạng không dây Trong các mạng không dây hiện đại, đặc biệt là các mạng không dây băng rộng thì băng thông, tần số, khe thời gian, cũng nhƣ công suất hoạt động của hệ thống đều là những tài nguyên hữu hạn rất quan trọng và quý giá và nhiệm vụ của các nhà phát triển là phân phối, quản lý, tối ƣu hóa các tài nguyên này để đạt đƣợc hiệu quả sử dụng cao nhất, ít tốn kém nhất và hạn chế tối đa các nhiễu có trong hệ thống để đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cũng nhƣ tiết kiệm công suất truyền cho hệ thống .
RRM ngoài sự phức tạp sâu xa về mối liên hệ tương tác giữa các thuật toán xem xét cũng có những sự phức tạp khác về đảm bảo sự cân đối, tối ƣu trong sử dụng hiệu quả những tài nguyên trong hệ thống . Đó là các vấn đề tối đa các tài nguyên (tần số, băng thông, khe thời gian, công suất) của người sử dụng phải cân đối với vấn đề tối đa vùng phủ (coverage) và dung lƣợng hệ thống (capacity). Ngoài ra tối đa khả năng hỗ trợ di động phải cân đối với tối đa dung lƣợng, và tối đa vùng phủ phải cân đối với tối thiểu chi phí.
Ngoài ra các vấn đề về nhiễu trong hệ thống và giữa các hệ thống khác nhau cũng là một vấn đề lớn cần xem xét. Khi trong hệ thống tồn tại nhiễu thì sẽ làm giảm đáng kể hiệu năng hoạt động vì thế các bài toán cấp phát tài nguyên cũng phải quan tâm đặc biệt với các vấn đề chống nhiễu nhƣ chống nhiễu trong kênh, nhiễu xuyên kênh, nhiễu đồng kênh, nhiễu đa truy cập để đảm bảo chất lƣợng hoạt động của hệ thống. Ví dụ nhƣ trong hệ thống WiMAX, nếu nhà quản lý thực hiện tốt đƣợc công việc quản lý tài nguyên bao gồm việc cấp phát kênh con (time slots và subcarriers), điều khiển tốc độ truyền, điều khiển công suất thì sẽ hạn chế đƣợc các vấn đề về nhiễu xuyên kênh và nhiễu đồng kênh (đường downlink của WiMAX sử dụng phương thức điều chế OFDM nên tránh đƣợc các hiện tƣợng về nhiễu trong kênh). Do đó, việc sử dụng phổ hiệu quả và tối ƣu cấp phát tài nguyên nằm trong nhiệm vụ của quản lý tài nguyên vô tuyến RRM là đặc biệt quan trọng đối với hiệu năng hoạt động của các mạng không dây hiện đại. Nếu không thực hiện tốt RRM thì rất có thể sẽ dẫn đến các vấn đề đáng tiếc nhƣ để trống vùng phủ, hay chất lƣợng dịch vụ QoS không đƣợc đảm bảo, hay một sự thiếu hoặc quá dƣ thừa tài nguyên cũng sẽ dẫn đến tình trạng bất ổn định của hệ thống . Mặt khác trong các hệ thống multi-cell hiện nay có một vấn đề đƣợc đặt ra là việc thay đổi cấp phát tài nguyên trong một cell nhất định sẽ ảnh
hưởng đến hiệu năng hoạt động của các cell khác kề bên vì vậy cần xem xét vấn đề một cách thấu đáo, đặt trong mối liên hệ tương tác qua lại của từng thành phần mạng như người sử dụng trong một cell, trong các cell khác nhau, nhà cung cấp khác nhau...
3.2.3 Một số giải pháp cho quản lý tài nguyên vô tuyến
Có một số các giải pháp khác nhau cho vấn đề RRM trong các mạng không dây hiện nay. Chúng ta có thể tạm chia các mô hình giải pháp đó ra làm hai nhóm là nhóm các thiết kế RRM tĩnh (fixed design) và nhóm các thuật toán RRM động (dynamic RRM algorithms).
Trong một mô hình RRM tĩnh, các quyết định quản lý tài nguyên đƣợc thực hiện chỉ một lần, thường là trước khi hệ thống được triển khai. Một khi quyết định này đƣợc đƣa ra, để thay đổi phạm vi và cách thức hoạt động thì không thể tái cấp phát lại tài nguyên hệ thống mà bắt buộc phải dừng hoạt động của hệ thống và tiếp tục đƣa ra một quyết định khác. Nếu các mạng không dây là tĩnh và xác định (derterministic) thì các thiết kế và cấp phát tĩnh là đủ để sử dụng. Tuy nhiên, một đặc điểm quan trọng và cố hữu của mạng không dây đó là tính di động và phân phối tải nên mọi giả thiết xem xét trong thiết kế và cấp phát tĩnh sẽ thay đổi liên tục trong khi hệ thống hoạt động. Nói cách khác, tất cả quyết định cấp phát là có xu hướng thay đổi trong các mạng vô tuyến thực tế. Do đó ở đây mô hình tĩnh không còn thích hợp nữa, thay vào đó nếu ta thực hiện đáp ứng các thay đổi trên thì có thể cải thiện đáng kể hiệu năng của các mạng vô tuyến.
Bây giờ ta sẽ nói đến các thuật toán RRM động. Có hai cách tiếp cận cơ bản tới RRM động đó là các thuật toán RRM động tập trung và các thuật toán RRM động phân tán. Trong RRM tập trung, quyền quản lý tập trung về một điểm (một trạm gốc BS trong mạng), trạm đó sẽ thu thập thông tin từ các node mạng khác trong mạng, tính toán thay đổi trong cấp phát tài nguyên và thông báo lại sự thay đổi đó cho toàn thể các node mạng khác. Trong RRM phân tán, mỗi một thành phần mạng (các node mạng) đều thu thập các thông tin và tự điều chỉnh thay đổi các chiến lƣợc cấp phát tài nguyên. Chú ý rằng các thuật toán RRM động phân tán thường ít xảy ra quá tải hơn các thuật toán RRM động tập trung. Tuy nhiên hoạt động của các thuật toán phân tán có thể khó dự đoán riêng rẽ từng hành động thay đổi độc lập của từng node mạng, và sự thay đổi của node mạng này có thể gây ảnh hưởng tới hoạt động của node mạng khác trong mạng. Do đó trước khi áp
dụng các thuật toán phân tán vào thực tế thì người ta thường dùng các phương pháp mô phỏng trên máy tính để phân tích hoạt động của mạng trước. Hơn nữa, nếu không đạt đến một trạng thái hội tụ ổn định, thì nhiều băng thông của hệ thống sẽ bị mất bởi sự quá tải của các bản tin báo hiệu về sự thay đổi diễn ra trong quản lý và cấp phát tài nguyên.
Một ví dụ điển hình cho thuật toán RRM động phân tán đó là thuật toán Iterative Waterfilling [6]. Thuật toán này hoạt động dựa trên ý tưởng loại bỏ, không cấp phát các kênh con khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm (SINR) nhỏ hơn một mức ngƣỡng nào đó đƣợc chọn. Nếu thuật toán này đƣợc thực hiện sẽ tối đa thông lƣợng của hệ thống dựa trên một ràng buộc về công suất (mức ngƣỡng đƣợc chọn sao cho tổng công suất cấp phát cho các kênh con bằng với công suất đó chọn (giới hạn) của hệ thống. Tuy nhiên việc sử dụng thuật toán này lại làm tăng độ phức tạp trong quản lý tài nguyên vô tuyến.
Hình 3.2 Thuật toán waterfilling cổ điển cho điều khiển cấp phát công suất (Nguồn: [6] trong Tài liệu tham khảo, trang 687)
Trong hình 3.2 là đồ thị mô tả thuật toán waterfilling cổ điển cho điều khiển cấp phát công suất. Ở đây công suất cấp phát cho các sóng mang con xi đƣợc đƣa ra bởi công thức:
xi ( i1) 1 i L (3.1)
Trong đó xi là công suất cấp phát cho kênh con thứ i, L là số kênh con, i là độ lợi (gain) của kênh con thứ i, và là “mực nước” (waterlevel) được chọn để thỏa mãn ràng buộc công suất ∑i xi = PT. Hàm nhận giá trị bằng x khi x dương, và bằng 0 với các trường hợp còn lại.
Nhìn chung trong các mô hình multi-cell, những người dùng riêng lẻ khó mà biết được các điều kiện kênh truyền của những người dùng khác trong những cell khác. Do đó, những người dùng trong những cell khác nhau không thể cùng vận hành hiệu quả với nhau, tất cả đều cố gắng tối đa hóa hiệu năng sử dụng kênh của mình mà không quan tâm đến hoạt động của những người khác trong một mô hình phân tán. Từ đó cần phải đề xuất một giải pháp để kiểm soát hoạt động của những người dùng, hay những nhà cung cấp khác nhau để cùng nhau vận hành, điều phối trong sử dụng và cấp phát tài nguyên để đạt đƣợc hiệu suất sử dụng cao nhất, ít nhiễu nhất, ít tốn kém nhất.
3.2.4 Quản lí tài nguyên vô tuyến trong mạng IEEE 802.16
Mặc dù các đặc tả lớp PHY và lớp MAC đó đƣợc đề cập rõ trong chuẩn nhƣng các quy định về cấp phát tài nguyên và quản lý truy cập cho mạng IEEE 802.16/WiMAX vẫn là một vấn đề để mở cho các hãng viễn thông, các nhà cung cấp dịch vụ, các nhà nghiên cứu cung cấp để tìm ra một cơ chế mạnh mẽ riêng cho mình. Vì vậy có thể nói chính vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến sẽ tạo nên sự cạnh tranh lành mạnh giữa các nhà phát triển dịch vụ WiMAX, nhà cung cấp nào quản lý tài nguyên vô tuyến tốt hơn, đảm bảo chất lƣợng dịch vụ tốt hơn thì nhà cung cấp đó sẽ chiếm ưu thế trên thị trường. Đứng về phương diện người dùng cá nhân trong WiMAX, RRM phải đảm bảo tối thiểu công suất phát của thiết bị người dùng (trong mối quan hệ ràng buộc của tốc độ và công suất truyền) đồng thời phải hạn chế tối đa hiện tượng nhiễu đồng kênh CCI giữa người dùng thuộc những cell khác nhau bằng cách chọn cấp phát hợp lý các kênh con cho những người dùng nằm trong vùng nhiễu (vùng xen phủ) giữa hai cell.
Đứng về phương diện các loại hình dịch vụ. Do trong WiMAX định nghĩa ra 5 loại hình dịch vụ gồm có: Unsolicited grant service (UGS), Real- time polling service (rtPS), Non-real-time polling service (nrtPS), Best effort service (BE), Extended real-time variable rate (ERT-VR) service nên phải đảm bảo cấp phát tài nguyên cân đối theo thứ tự ƣu tiên cho các loại hình dịch vụ, cho các kết nối hiện thời và các kết nối mới để đảm bảo đƣợc các tham số QoS của hệ thống. Công việc quản lý tài nguyên vô tuyến nhƣ vậy đƣợc thực hiện bằng các thuật toán scheduling sẽ được khảo sát kỹ ở các chương sau của bản luận văn tốt nghiệp này.
Đứng về phía hệ thống WiMAX/OFDMA, phải tối thiểu tổng công suất truyền của hệ thống, tối đa thông lƣợng, vùng phủ và dung lƣợng, tối thiểu chi phí và độ phức tạp của hệ thống.