Cho các giá trị λ1, λ2, λ3, λ4, λ’, µ và C, giá trị ph được đánh giá đối với
b từ 1 đến 5 và với p=0.98. Tiếp theo h được đánh giá bởi phương trình (4)
b λ1=0.4, λ2=0.5 λ1=0.3, λ2=0.6 ph h ph h 1 0.04 0.00 0.04 0.00 2 0.10 0.15 0.10 0.09 3 0.20 0.28 0.20 0.20 4 0.34 0.44 0.34 0.34 5 0.52 0.60 0.52 0.51
Bảng 2: Đánh giá đối với các giá trị b, λ1, λ2 với λ3=λ4=0.05, µ=0.7, λ’=0.3,
C=20
Từ bảng 2 cho thấy khi b tăng, giá trị xác suất ph của tế bào trở lên
nóng tăng. Điều này là hiển nhiên vì xác suất của tế bào nóng gia tăng sẽ dẫn đến tăng số tế bào nóng đồng kênh. Cột 3 và cột 5 đưa ra các giá trị của h
được đánh giá dựa vào phương trình (4), ta thấy giá trị của h tăng khi ph
tăng. Nếu giá trị ngưỡng h trong đó một tế bào trở thành nóng gia tăng, ta có thể nói rằng tế bào nóng với số kênh bị khóa ít hơn trước đó. Nghĩa là, xác suất của một tế bào trở lên nóng, ph tăng khi tăng h.
(a) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pc Pc1 Pc2 Pc3
(b) 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pc Pc1 Pc2 Pc3 Hình (a): Pc1: L2 = L1; Pc2: L2 = 2L1; Pc3: L3 = 3L1; L1 = λ1; L2 = λ2; λ = λ1+ λ2 Hình (b): Pc1: C = 50; Pc2: C = 30; Pc3: C = 20; λ1= λ2; λ = λ1+ λ2
Hình 2.5: Sự biến thiên của xác suất khoá cuộc gọi Pc
Xác suất hạn chế cuộc gọi từ phân tích mô hình của chúng ta với hàm của tỉ lệ các cuộc gọi đến trong hình 2.5. Hình 2.5 (a) mô tả sự biến thiên đối với tỉ số khác nhau của tỉ lệ yêu cầu λ1 của lớp 1 tới tỉ lệ yêu cầu đến λ2 của lớp 2
Quan sát theo tỷ lệ của λ1 và λ2 (λ2 =2λ1 hoặc λ2 =3λ1) ta thấy xác suất hạn chế cuộc gọi tăng với việc tỉ lệ các cuộc gọi đến tăng. Xác suất hạn chế cuộc gọi là nhỏ nhất khi việc phân phối các cuộc gọi khởi đầu và chuyển giao có xu hướng bằng và tăng với tổng số sự không cân bằng giữa chúng.
Hình 2.5(b) mô tả sự biến thiên xác suất hạn chế cuộc gọi với số lượng kênh C đã xác định được phân phối tới mỗi tế bào. Nếu C tăng, xác suất hạn chế cuộc gọi giảm theo tỷ lệ cuộc gọi đến đã được xác định.
2.5 Các thí nghiệm mô phỏng
Thực hiện mô phỏng các thuật toán thuê kênh và thuật toán gán kênh. Phạm vi của bài toán là các mô phỏng song song hoặc mô phỏng đa chiều do có nhiều nguồn tài nguyên đồng thời và toàn bộ trong hệ thống. Tuy nhiên,
để đơn giản, chúng ta chỉ thực hiện thuật toán mô phỏng song song vì nó đáp ứng được yêu cầu kiểm tra tính đúng đắn và hiệu quả của thuật toán.
2.5.1 Các thông số mô phỏng
- Mô phỏng cường độ tín hiệu nhận (RSS): Để xác định được chính xác các thuê bao, cần phải xác định cường độ tín hiệu trạm gốc BS nhận từ thuê bao. Do cường độ tín hiệu trên thực tế có thể không xác định được, ta phủ lên tế bào 1 lưới có kích thước 100x100. Vị trí của thuê bao trong tế bào được xác định bởi cặp toạ độ (x,y) trên lưới. Một thuê bao được xác định là “đang rời tế bào” hay là “mới” khi toạ độ của nó nằm giữa biên giới của tế bào và vùng chu vi của lưới. Khi cập nhật vị trí của thuê bao tức là ta đã thay đổi toạ độ của thuê bao đó.
- Khởi tạo và kết thúc cuộc gọi: Cuộc gọi đến trong một tế bào được lập trình như một quy trình Poisson rời rạc theo thời gian. Quy trình kết thúc cuộc gọi sinh ra 1 số ngẫu nhiên nằm trong khoảng [0; số lượng các kênh bị khoá trong tế bào], ví dụ: một biến ngẫu nhiên phân phối đều.
2.5.2 Các kết quả mô phỏng
Cơ sở để đánh giá hiệu suất của thuật toán và so sánh với các lược đồ khác là sác xuất hạn chế cuộc gọi, ảnh hưởng sự biến thiên các tham số hệ thống như tham số ngưỡng h, số lượng kênh C được xác định ban đầu tại mỗi tế bào và kích thước của mô hình mẫu.
- Ảnh hưởng của ngưỡng h đối với sác xuất khoá cuộc gọi:
Mô phỏng sử dụng số lượng kênh C = 100 cho mỗi tế bào và hệ thống có tổng số N = 100 tế bào. Theo các kết quả đã thực hiện ở mô hình phân tích, xác suất cuộc gọi bị khoá tăng theo tỷ lệ cuộc gọi đến. Tương tự theo hướng biến thiên với xác xuất khoá cuộc gọi λ như các thí nghiệm mô phỏng (xem hình 2.6), theo các kết quả phân tích trong hình 2.5 xác định được tính đúng đắn của mô hình phân tích.
Mô phỏng này cũng cho thấy xác suất khoá cuộc gọi tăng tỷ lệ với h khi lưu lượng tăng. Tăng ngưỡng h tức là các tế bào nóng trong hệ
thống cũng tăng lên, các tế bào lạnh giảm, kênh cho thuê giảm, do vậy xác suất cuộc gọi bị khoá trong các tế bào nóng tăng lên.
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pc Pc1 Pc2 Pc3 Pc4 Pc1: h = 0.1; Pc2: h = 0.2; Pc3: h = 0.3; Pc4: h = 0.4 Hình 2.6: Xác suất khoá cuộc gọi theo tỷ lệ biến thiên của h - Ảnh hưởng của số lượng kênh C đối với xác suất khoá cuộc gọi:
Hình 2.7 mô tả sự biến thiên xác suất khoá cuộc gọi theo λ và C nhận 3 giá trị khác nhau. Số lượng kênh xác định ban đầu tại mỗi tế bào dựa trên lược đồ phân phối cố định. Hình 2.7 cho thấy với giá trị C nhỏ (C = 20), xác suất khoá cuộc gọi khá cao 0.22 với λ = 0.9. Khi C tăng, sác xuất khoá cuộc gọi giảm khi lưu lượng tăng ( λ > 0.5). Với C = 40, xác suất khoá cuộc gọi thấp 0.03 với cùng giá trị của λ.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Pc Pc1 Pc2 Pc3 Pc1: 40 ch; Pc2: 30 ch; Pc3: 20 ch
Hình 2.7: Xác suất khoá cuộc gọi theo λ với các giá trị biến thiên của C - Ảnh hưởng của kích thước mô hình mẫu đối với xác suất khoá cuộc
gọi:
Sự biến thiên của các tham số ảnh hưởng đến kích thước của mô hình mẫu. Ta tiến hành mô phỏng với các bộ tham số biến thiên i và j (i=j), thí nghiệm này cũng kiểm tra được mức độ thích hợp của các thuật toán khác nhau đối với các tế bào khác nhau trong cùng kênh. Hình 2.8 mô tả kết quả mô phỏng với h = 0.2, hệ thống có N = 1.000 tế bào. Giá trị i (hoặc j) biểu diễn trên trục x. Ta nhận thấy, xác suất khoá cuộc gọi giảm khi i tăng, i tăng nghĩa là kích thước mô hình mẫu tăng, và các tế bào nóng sẽ tìm thấy nhiều tế bào lạnh để mượn kênh.
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Tham biến Pc Pc1 Pc2 Pc3 Pc4 Pc1: L = 0.5; Pc4: L = 0.6; Pc2: L = 0.7; Pc3: L = 0.8; L = λ Hình 2.8: Xác suất khoá cuộc gọi và kích thước mô hình mẫu
2.5.3 So sánh lược đồ thuê kênh với các lược đồ “Thử trực tiếp” và
“CBWL”
Nhược điểm chính của lược đồ thử trực tiếp (có cân bằng tải) là có sự chia sẻ tải giữa 2 tế bào [KE89]. Nếu số thuê bao ít, lược đồ sẽ không đạt được cân bằng tải. Trong lược đồ thuê kênh, luôn luôn có một số lượng cố định các kênh được chuyển giao giữa các tế bào chưa bị quá tải và một tế bào đang bị quá tải. Lược đồ thuê kênh đạt được cân bằng tải lý tưởng vì không chỉ tế bào bị quá tải nhận được số lượng kênh cần thiết mà còn vì sự tăng lên của lưu lượng được chia sẻ công bằng bởi các tế bào chưa bị quá tải. Một vấn đề khác đối với lược đồ thử trực tiếp là có thể chia sẻ kênh với các tế bào láng giềng đang ở trạng thái nóng nhưng với lược đồ thuê kênh không cho phép mượn kênh từ các tế bào nóng.
CBWL [JR94] hoạt động không hiệu quả đối với các cụm tế bào nóng. Giả sử, nếu ta có một cụm trong đó có 1 tế bào nóng và 6 tế bào láng giềng cũng đang ở trang thái nóng, thì trong trường hợp này các tập kênh của 6 tế bào nóng đã được sử dụng hết, trong nội bộ tế bào nóng cũng đang thiếu kênh. Lược đồ thuê kênh xử lý tốt vấn đề cân bằng tải đối với tất cả
các tế bào nóng vì có thể mượn kênh từ bất kỳ tế bào lạnh thích hợp nằm trong mô hình mẫu.
Hạn chế khác của CBWL là phạm vi sử dụng hạn chế các kênh mượn do hiệu suất chuyển giao thấp.
Lược đồ λ = 0.5 λ = 0.9 # tế bào nóng = 40 # tế bào nóng = 60 Phân phối cố định (không có cân bằng tải) 0.015304 0.177662 0.018584 0.076577 Mượn đơn giản 0.000229 0.111761 0.0 0.033140 Thử trực tiếp 0.000485 0.100101 0.002266 0.035151 Mượn kênh không khoá 0.000986 0.096539 0.000889 0.025806 Mượn kênh có cân bằng tải 0.000012 0.059354 0.0 0.000965
Bảng 3: So sánh xác suất khoá cuộc gọi của các lược đồ phân phối kênh có và không có cân bằng tải.
Hình 2.9 so sánh chiến lược thuê kênh với các chiến lược phân phối cố định, mượn đơn giản, thử trực tiếp và thuê kênh có khoá (CBWL), trong đó xác suất khoá cuộc gọi được sử dụng là độ đo. Tổng số tế bào trong hệ thống là 100.
Hình 2.9: So sánh xác suất khoá cuộc gọi giữa các lược đồ
Tập đầu tiên trong biểu đồ của Hình 2.9(a) biểu diễn sự biến thiên xác suất khoá cuộc gọi theo λ với số tế bào nóng là 40. Biểu đồ cho thấy tỷ lệ cuộc gọi đến hợp lý (λ = 0.5) thì sử dụng các lược đồ mượn đơn giản, thử trực tiếp, thuê kênh có khoá, và cân bằng không tải (phân phối cố định) là tốt nhất (xem bảng 3).
Khi λ tăng, lược đồ thuê kênh có khoá thực hiện tốt hơn lược đồ mượn trực tiếp và thử đơn giản, nhưng xác suất khoá cuộc gọi lại thấp nhất. Thực tế cho thấy lược đồ thuê kênh có chọn lọc thực hiện tốt hơn các lược đồ khác khi lưu lượng hệ thống tăng cao ( λ ≥ 0.5), trong khi hiệu suất của các lược
đồ khác là ngang nhau với lưu lượng tải phù hợp hoặc thấp (λ < 0.5). Bảng 3 biểu diễn các số liệu thực tế λ = 0.5 và 0.9, các số trong ngoặc đơn là thứ tự đạt được xác suất khoá cuộc gọi thấp.
Tập thứ 2 trong biểu đồ của hình 2.9(b), xác suất khoá cuộc gọi với mỗi lược đồ được đánh dấu dựa trên các tế bào nóng trong hệ thống. Biểu đồ cho thấy với 40 tế bào nóng trong hệ thống, lược đồ thuê kênh và mượn đơn giản thực hiện tốt như nhau, tiếp theo là mượn kênh có khoá, thử trực tiếp và phân phối cố định (xem bảng 3). Khi số lượng các tế bào nóng trong hệ thống tăng lên (>40), lược đồ cân bằng tải chỉ ra sự biến thiên nhỏ nhất so với tất cả các lược đồ khác. Các kết quả này cho thấy hiệu quả của chiến lược cân bằng tải nhằm giảm bớt sự mất cân bằng tải và cải thiện hiệu suất của hệ thống.
CHƢƠNG 3 - CHIẾN LƢỢC GÁN KÊNH ĐỘNG 3.1 Đặt vấn đề
Quang phổ sóng vô tuyến là nguồn tài nguyên hữu hạn trong hệ thống mạng không dây. Hơn nữa, các tín hiệu vô tuyến dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng giao thoa (nhiễu) và âm thanh đa chiều. Vì vậy, cần tính toán đến đến hiệu suất của dải tần sóng vô tuyến nhằm hỗ trợ cho số lượng lớn các thuê bao di động. Để sử dụng lại quang phổ sóng vô tuyến, các hệ thống không dây hiện nay sử dụng kiến trúc tế bào. Một khu vực địa lý được chia nhỏ thành các vùng nhỏ hơn gọi là tế bào; quang phổ sóng vô tuyến được chia thành các kênh truyền thông không dây sử dụng sự phối hợp của các kỹ thuật: phân chia tần số, phân chia thời gian, phân chia mã (tiêu chuẩn, luật) [5]. Một kênh r có thể được sử dụng bởi tế bào c mà không xảy ra hiện tượng giao thoa nếu nó không đồng thời bị sử dụng bởi một tế bào khác trong khoảng cách sử dụng lại ngắn nhất của tế bào c. Bài toán phân phối kênh đưa ra một lược đồ phân phối kênh tới các tế bào trong hệ thống nhằm loại trừ hiện tượng giao thoa kênh; mục tiêu thiết kế là nhằm giảm tối thiểu thời gian thu nhận kênh; giảm thiểu số lượng các cuộc gọi bị từ chối và giảm thiểu độ phức tạp của các thông điệp điều khiển.
Hệ thống mạng tế bào gồm N tế bào, được đánh số từ 1 đến N. Mỗi tế bào có 6 tế bào láng giềng bao quanh. Một trạm dịch vụ di động (MSS) phụ trách một tế bào c, ký hiệu là MSSc. Khi một máy chủ di động (MH: Mobile Host) trong tế bào c cần liên lạc với máy chủ di động khác thì trước tiên, nó phải gửi một yêu cầu tới MSSc , sau đó MSSc tìm kiếm kênh rỗi mà đang sử dụng một thủ tục phân phối kênh và thông báo cho MH biết kênh nào có thể sử dụng được. Ta nhận thấy, mỗi MH là một thuê bao di động, một kênh có thể được sử dụng cho cả liên lạc dữ liệu và âm thanh.
Sau khi một MH sử dụng xong một kênh, nó gửi thông báo đến MSS rằng kênh đó không còn cần thiết nữa. Khi đó, MH di chuyển ra khỏi tế bào, thủ tục chuyển giao giữa MSS của tế bào cũ và MSS của tế bào mới đảm bảo rằng các kênh mà MH đã sử dụng trong tế bào cũ được giải phóng và tiếp tục quá trình liên lạc trong tế bào mới. MSS có thể phân phối một kênh
rỗi tới một MH khác trong cùng tế bào đó hoặc giải phóng kênh và kênh này được sử dụng lại bởi một tế bào khác.
Dải tần truyền thông không dây được chia thành n kênh, đánh số từ 1 đến n. Quy định tập tất cả chỉ số kênh là dải phổ, nghĩa là dải phổ = {1, …….,n}. Để tránh hiện tượng giao thoa cùng kênh, các thuật toán gán kênh được thảo luận trong chương này đảm bảo rằng nếu một kênh r đang được sử dụng bởi MSSi thì nó không thể đồng thời được sử dụng để liên lạc trong bất kỳ tế bào nào khác đang nằm trong khoảng cách sử dụng lại ngắn nhất từ MSSi. Khu vực bao phủ bởi các tế bào này gọi là vùng giao thoa của tế bào i. Biểu diễn tập chỉ số của tất cả các tế bào trong vùng giao thoa của tế bào i là INi.
Lược đồ phân phối kênh động được chia làm 2 loại: lược đồ dựa trên cơ sở cập nhật và lược đồ dựa trên cơ sở tìm kiếm. Trong lược đồ tìm kiếm cơ bản, 1 MSS cần 1 kênh tìm ra vùng giao thoa với 1 kênh khác bằng cách gửi một thông điệp yêu cầu tới tất cả các MSS trong vùng giao thoa. Mỗi MSS phản hồi bằng cách gửi 1 tập kênh đã sử dụng. Sau khi nhận được tín hiệu phản hồi từ các MSS này, MSS sẽ tính toán tập kênh có thể sử dụng được và chọn 1 kênh trong số đó. Thủ tục tìm kiếm đảm bảo rằng không có 2 MSS trong vùng giao thao đồng thời chọn cùng 1 kênh bằng cách sử dụng tem đánh dấu thời gian cùng với các thông điệp yêu cầu. Một MSS nào đó đang tìm kiếm 1 kênh sẽ trì hoãn việc phản hồi bất kỳ thông điệp yêu cầu nào với 1 tem thời gian lớn hơn so với thông điệp yêu cầu của nó cho đến khi MSS này hoàn thành việc tìm kiếm.
Ngược lại, trong lược đồ cập nhật cơ bản, các tế bào chứa thông tin về các kênh đang sử dụng trong vùng giao thoa. Khi 1 tế bào cần 1 kênh, nó lựa