Nghiên cứu cải tiến hiệu suất cấp phát kênh tần số mạng di động tế bào

Nhằm làm tăng dung lượng mạng, nhiều kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng như chia nhỏ mạng thành tế bào, chỉ định phổ tần mới, các thuật toán đa truy nhập, gán kênh động,…Đặc biệt, trong

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

thông

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Vũ Duy Lợi

2 TS Bùi Thiện Minh

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quốc Bình

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Đình Việt

Phản biện 3: TS Nguyễn Phạm Anh Dũng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào hồi 14 giờ ngày 24 tháng 8 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện:

- Thư viện Quốc gia

- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HIỆU SUẤT CẤP PHÁT KÊNH

TẦN SỐ MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Một trong những xu hướng phát triển của ngành công nghiệp máy tính là tính di động ngày càng tăng Cùng với kích cỡ được thu nhỏ, nhiều máy tính cầm tay đã có tốc độ mạnh bằng hoặc hơn các máy tính để bàn Người sử dụng có khả năng thiết lập và duy trì một phiên liên lạc giữa máy tính với máy tính khi di chuyển từ nơi này sang nơi khác Với việc tích hợp công nghệ thoại và thông tin số liệu máy tính ngày nay càng thân thiện với người sử dụng và được coi là thiết bị di động hoàn hảo, chủ chốt trong bất kỳ mạng không dây nào

Cùng với sự phát triển không ngừng của các hệ thống thông tin di động, việc liên lạc của các phần tử mạng với nhau thông qua môi trường truyền dẫn vô tuyến đặt ra nhiều bài toán phải giải quyết, trong đó quan trọng nhất là vấn đề sử dụng môi trường này như thế nào để đạt hiệu quả cao nhất Trước những yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng dịch vụ

về chất lượng, dung lượng, tính đa dạng của dịch vụ, tốc độ truyền dữ liệu,

… việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến luôn là những đòi hỏi cấp thiết Nhằm làm tăng dung lượng mạng, nhiều kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng như chia nhỏ mạng thành tế bào, chỉ định phổ tần mới, các thuật toán đa truy nhập, gán kênh động,…Đặc biệt, trong điều kiện nguồn tài nguyên vô tuyến cấp cho mỗi mạng là hữu hạn, vấn đề cấp phát các kênh tần số là một trong những yếu tố quan trọng có ảnh hưởng tới dung lượng và hiệu suất hoạt động của mạng

Các công trình nghiên cứu trước đây đã đưa ra nhiều thuật toán cấp phát kênh nhằm làm tối đa khả năng tái sử dụng đồng thời giảm tới mức thấp nhất khả năng khoá kênh Việc tiếp tục nghiên cứu, phát triển các thuật toán cấp phát kênh nhằm đảm bảo kênh tần số được sử dụng hiệu quả, đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện ngày càng đa dạng đang thực sự là vấn

đề cấp thiết

II MỤC TIÊU LUẬN ÁN

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu cải tiến, nâng cao hiệu suất hoạt động của các thuật toán cấp phát kênh tần số trong mạng di động tế bào

Cụ thể là:

- Nghiên cứu, hệ thống hóa, phân loại các thuật toán cấp phát kênh tần số trong mạng di động tế bào; phân tích, so sánh, đánh giá ưu, nhược điểm của các thuật toán

- Nghiên cứu sâu thuật toán cân bằng tải động sử dụng mượn kênh chọn lọc và thuật toán cấp phát kênh thích nghi trong mạng di động tế bào; phân tích, đánh giá hiệu quả hoạt động của các thuật toán trên để từ đó đề xuất một số điểm cải tiến nhằm tái sử dụng nguồn tài nguyên một cách hiệu quả

- Đề xuất một số cải tiến trong thuật toán cân bằng tải động sử dụng mượn kênh chọn lọc và thuật toán cấp phát kênh thích nghi; thực hiện mô phỏng, kiểm chứng, đánh giá hiệu quả hoạt động của các đề xuất bằng chương trình máy tính

III PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu ở đây là kết hợp nhuần nhuyễn giữa nghiên cứu lý thuyết về kiến trúc, nguyên tắc hoạt động cũng như cơ chế cấp phát kênh tần số của mạng di động tế bào với việc mô phỏng bằng chương trình máy tính để kiểm chứng, đánh giá hiệu quả hoạt động của các đề xuất, cải tiến cấp phát kênh tần số trong mạng di động tế bào

IV ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN

1- Hệ thống hóa, phân loại các thuật toán cấp phát kênh trong mạng

di động tế bào; phân tích, đánh giá, so sánh ưu nhược điểm của các thuật toán

2- Cải tiến thuật toán cân bằng tải động với mượn kênh chọn lọc và thuật toán gán kênh thích nghi ở những nội dung sau đây:

2.1 - Xây dựng phương pháp cấu hình nhóm compact của một ô có nhu cầu mượn kênh, đặc biệt là trong các trường hợp có ô ở tâm của mỗi nhóm, ở biên của mạng và ở biên của hai nhóm và ở biên của nhiều nhóm compact

2.2 - Nghiên cứu, xác định số lượng kênh mà một ô có nhu cầu cần mượn (X) và mối quan hệ giữa số kênh có thể mượn được và số kênh cần khóa ở ô đồng kênh

2.3 - Nghiên cứu, xác định số lượng kênh có thể cho mượn (Y) và điều kiện cần thỏa mãn khi cho mượn Y kênh

2.4 - Nghiên cứu để xác định chính xác toạ độ ô phải khóa đồng kênh khi một ô cho mượn kênh; giá trị ngưỡng lạnh được tính toán lại sau mỗi lần khoá đồng kênh góp phần làm tăng số lượng kênh của một ô có thể cho mượn

2.5 - Nghiên cứu, xác định thứ tự ưu tiên khi cho mượn kênh để tăng

số lượng kênh có thể cho mượn và giảm độ phức tạp của thuật toán

2.6 - Mở rộng khả năng tham gia cấp phát kênh của các ô lân cận của một ô có nhu cầu cấp phát kênh

3- Thực hiện mô phỏng bằng chương trình máy tính để kiểm chứng thuật toán cải tiến, ưu việt hơn so với thuật toán cân bằng tải động với mượn kênh chọn lọc và thuật toán gán kênh thích nghi

V BỐ CỤC LUẬN ÁN

Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, luận án gồm 5 chương Chương 1 giới thiệu tổng quan về mạng tế bào: sự phát triển, khái niệm tế bào và cấp phát, sử dụng kênh trong mạng tế bào, tái sử dụng kênh và đánh giá hiệu suất của các thuật toán cấp phát kênh Chương 2 trình bày một cách hệ thống về các thuật toán cấp phát kênh, bao gồm: phân loại các thuật toán

cấp phát kênh (cấp phát kênh cố định, cấp phát kênh động, cấp phát kênh lai); đánh giá, so sánh ưu nhược điểm của các thuật toán Chương 3 trình bày chi tiết thuật toán cân bằng tải động với mượn kênh chọn lọc và thuật toán cấp phát kênh thích nghi; đánh giá, so sánh ưu nhược điểm của các thuật toán; từ đó đề xuất một số nội dung cụ thể cần cải tiến Chương 4 đề xuất thuật toán cấp phát kênh tần số mới trên cơ sở cải tiến thuật toán cân bằng tải động với mượn kênh chọn lọc và thuật toán cấp phát kênh thích nghi Chương 5 trình bày chương trình máy tính và kết quả mô phỏng các nội dung cải tiến được đề xuất tại chương 4

VI TÓM TẮT LUẬN ÁN

Chương 1 Giới thiệu tổng quan

1.1 Sự phát triển của mạng di động tế bào

Mạng thông tin di động tế bào đã trải qua 3 thế hệ: 1G, 2-2.5G và 3G

Hệ thống thế hệ thứ nhất 1G là các hệ thống di động tương tự, được thiết

kế để truyền tải thoại Thế hệ 2 (2-2.5G) sử dụng công nghệ số Hệ thống thế hệ 3 (3G) đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt của các tiêu chuẩn thế hệ hai hiện có, cả về loại hình dịch vụ và tốc độ truy nhập Hệ thống di động số hiện tại được thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, trong khi đó hệ thống 3G chú trọng đến khả năng truyền thông đa phương tiện

1.2 Cấp phát kênh và tái sử dụng kênh

Khái niệm tế bào

Khái niệm tế bào xuất phát từ các hệ thống mạng của Bell theo chuẩn AMPS năm 1979, đó là một kiến trúc mạng được tổ hợp từ các ô hình lục lăng (Hình 1.1-a) Mỗi ô có một trạm gốc cung cấp các kênh tần số cho các thiết bị di động Trạm gốc trong AMPS được coi là một ô Mỗi ô được liên kết với trung tâm chuyển mạch MSC có vai trò điều khiển các cuộc gọi,

hoạt động như một cổng để kết nối với mạng khác

Hình 1.1: a) Kiến trúc mạng di động b) Nhóm compact gồm 7 ô, i=2,j=1

Bắt đầu từ bất kỳ ô nào, di chuyển i ô theo hướng bất kỳ một trong sáu hình lục lăng bên cạnh của ô đó, đổi hướng ngược chiều kim đồng hồ

60 độ và di chuyển j ô (Hình 1-b) Ô đích là ô đồng kênh gần nhất với ô ban đầu Đối với mỗi ô, có hai tập hợp của 6 ô đồng kênh gần nhất, tuỳ thuộc vào việc di chuyển theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng

hồ Bằng cách lặp lại mô hình này, các cụm các ô được hình thành, trong

đó mỗi ô được biểu diễn tập hợp các kênh tần số khác nhau Một cụm các

ô như vậy được gọi là một tổ hợp ô cố định (compact pattern) Số ô trong

một tổ hợp ô cố định được tính bởi công thức N=i2 + ij + j2

Cấp phát kênh

Phổ tần số được chia thành tập các kênh vô tuyến riêng biệt Để chia phổ tần số thành các kênh như vậy, nhiều kỹ thuật như phân chia theo tần

số (FD), phân chia theo thời gian (TD), hoặc phân chia theo mã (CD) được

sử dụng Trong FD, phổ tần số được chia thành các băng tần riêng biệt, trong khi đó ở TD mỗi một cuộc gọi được phát trên tần số chung nhưng theo các khoảng thời gian khác nhau Khoảng thời gian này đủ bé để người

sử dụng không thấy có sự rời rạc khi nghe người khác nói Trong CD, các kênh được phân biệt nhờ sử dụng các thuật toán điều chế theo mã khác nhau

tập đồng kênh có thể được tái sử dụng với nhiễu gây ra có thể chấp nhận

được gọi là “khoảng cách tái sử dụng đồng kênh” Khoảng cách nhỏ nhất

đảm bảo rằng mức tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) ở mỗi tập đồng kênh lớn hơn một ngưỡng xác định (SIRmin)

1.3 Đánh giá hiệu suất thuật toán cấp phát kênh

Hiệu suất (performance) là khái niệm tổng quát xác định chất lượng

hoạt động của một hệ thống - xét từ góc độ của người sử dụng - về độ sẵn

sàng (availability), tính hiệu quả (effectivity), độ tin cậy (reliability) và độ

an toàn (security) của hệ thống đó Có 3 phương pháp đánh giá hiệu suất: a) Mô hình hóa sử dụng các công cụ toán học, còn gọi là mô hình hóa giải tích (analytical modeling); b) Mô hình hóa sử dụng chương trình máy tính (simulative modeling); và c) Đo thực tế (Measurement)

Trong mạng di động tế bào, một số độ đo hiệu suất quan trọng là: (a)

Ở mức cuộc gọi: xác suất từ chối cuộc gọi, xác suất rớt cuộc gọi, thời gian trễ cho thiết lập cuộc gọi, thời gian trễ chuyển giao, … (b) Ở mức tín hiệu: cường độ tín hiệu thu được, nhiễu xuyên kênh, tỷ suất sóng mang - nhiễu trên tạp âm CIR,

Trong khuôn khổ luận văn, độ đo hiệu suất ở mức cuộc gọi được xác định là yếu tố chính đánh giá hiệu quả hoạt động của các thuật toán cấp phát kênh trong mạng di động tế bào Ngoài ra, một số độ đo khác được sử dụng trong quá trình phân tích, đánh giá, so sánh và cải tiến các thuật toán cấp phát kênh là: (a) Số kênh cần cấp phát (lớn nhất) của các thuê bao được đáp ứng; (b) Số ô đồng kênh phải khóa (nhỏ nhất) khi thực hiện cấp

phát kênh; (c) (Tăng cường) khả năng tham gia cấp phát kênh của các ô lân cận của ô có nhu cầu cấp phát kênh; (d) Thứ tự ưu tiên cấp phát kênh (để làm giảm xác suất rớt cuộc gọi)

Chương 2 Các thuật toán cấp phát kênh

2.1 Tổng quan về các thuật toán cấp phát kênh

Có 3 nhóm thuật toán cấp phát kênh chính sau đây: a) Cấp phát kênh

cố định FCA (Fixed Channel Allocation); b) Cấp phát kênh động DCA (Dynamic Channel Allocation); và c) Cấp phát kênh lai HCA (Hybrid Channel Allocation)

2.2 Các thuật toán cấp phát kênh cố định FCA [2, 5]

Trong cấp phát kênh cố định FCA, các ô được thiết lập và các kênh được gán cố định cho vị trí các ô; các tập kênh tần số này sẽ không thay đổi trừ khi cần cấu hình lại cho một giai đoạn mới Các ô sẽ chỉ sử dụng tập kênh đã được gán

2.3 Các thuật toán cấp phát kênh động DCA [5, 8, 9, 10]

Trong DCA, các kênh rỗi được lưu giữ tập trung tại một trung tâm (central pool) Khi có một yêu cầu kênh từ một trạm gốc, MSC chọn kênh thích hợp mà cho hiệu quả cao nhất có tính đến các ràng buộc về nhiễu tín hiệu Các kênh được gán trong suốt thời gian diễn ra cuộc gọi, sau khi cuộc gọi kết thúc, kênh được trả lại cho trung tâm hoặc tái cấp phát cho thuê bao trong cùng ô mà đã điều khiển kênh này trước đó

2.4 Các thuật toán cấp phát kênh lai HCA

Các thuật toán cấp phát kênh lai HCA là sự kết hợp giữa FCA và DCA Trong HCA, tổng số kênh rỗi được phân chia thành tập hợp các kênh cố định và tập hợp các kênh động Tập hợp các kênh cố định được ưu tiên gán cho các yêu cầu theo thuật toán FCA trong mọi trường hợp Tập hợp các kênh động được gán cho tất cả các yêu cầu cấp phát kênh trong hệ thống Khi có một yêu cầu cấp phát kênh và các kênh thuộc tập hợp kênh

cố định không còn kênh nào rỗi thì kênh rỗi thuộc tập hợp kênh động sẽ được gán cho yêu cầu đó tuân thủ bất cứ thuật toán cấp phát kênh động cụ thể nào đó

2.5 Đánh giá, so sánh FCA và DCA [3]

Phản ứng nhạy cảm với thời

gian và sự thay đổi thành phần

của tải

Tỷ suất buộc kết thúc cuộc gọi

cao

Hiệu quả hơn khi tải lưu lượng nhỏ

Mềm dẻo trong cấp phát kênh

Mức độ tái sử dụng kênh không luôn luôn là cao nhất

Tỷ suất buộc kết thúc cuộc gọi thấp

Độ phức tạp tính toán thấp

Độ trễ thiết lập cuộc gọi thấp

Độ phức tạp thực hiện thấp

Tải điều khiển báo hiệu thấp

Thực hiện điều khiển tập trung

Độ phức tạp tính toán cao

Độ trễ thiết lập cuộc gọi từ trung bình đến cao

Độ phức tạp thực hiện từ trung bình đến cao

Tải điều khiển báo hiệu từ trung bình đến cao

Thực hiện điều khiển tập trung, không tập trung, phân tán phụ thuộc vào thuật toán cụ thể

2.6 Kết luận

Các thuật toán DCA thực hiện tốt hơn trong trường hợp mật độ lưu lượng thấp Các thuật toán FCA cải tiến có hiệu suất cao hơn trong trường hợp tải lưu lượng lớn Các thuật toán DCA sử dụng kênh hiệu quả hơn và đối với cùng tỉ lệ khóa kênh, các cuộc gọi buộc phải chấm dứt (rớt cuộc gọi) của thuật toán DCA thấp hơn so với các thuật toán FCA cơ bản Tuy nhiên, cấp phát kênh gần tối ưu đòi hỏi thông tin cần trao đổi rất lớn vì sử dụng các thuật toán cấp phát tập trung Điều đó có nghĩa là các thuật toán này không thích hợp đối với các mạng lớn Các thuật toán DCA phân tán với việc hạn chế truyền thông giữa các ô đã làm thông tin trao đổi giảm đi nhưng lại dẫn đến hiệu suất cấp phát giảm Các thuật toán này được đề suất cho các hệ thống tế bào ô nhỏ vì cấu trúc ô cho phép chia sẻ thông tin giữa các ô bị ảnh hưởng bởi nhiễu ít và không phải chịu giám sát tại mỗi trạm gốc Đối với các hệ thống ô lớn, thuật toán FCA với mượn kênh cho kết quả tốt và độ phức tạp tính toán thấp hơn DCA Tuy nhiên, các thuật toán FCA này lại áp dụng việc điều khiển tập trung tại MSC, mặc dù chúng kém phức tạp hơn các thuật toán DCA nhưng vẫn cần thiết duy trì việc cập nhật thông tin trên toàn mạng di động dẫn đến việc phản hồi chậm

và tải tín hiệu lớn

Chương 3 Thuật toán cân bằng tải động với mượn kênh chọn lọc và phiên bản cải tiến

3.1 Thuật toán cân bằng tải động với mượn kênh chọn lọc

Mô hình hệ thống và giả thiết

a) Xác định nhóm compact

Mỗi ô được cấp phát một tập kênh C, tập kênh này lại được tái sử dụng trong ô khác với khoảng cách đủ để nhiễu đồng kênh gây ra là không đáng kể (khoảng cách tái sử dụng đồng kênh) Hai tham số i và j được gọi

là các tham số shift: bắt đầu từ bất kỳ ô nào, di chuyển i ô theo hướng bất

kỳ một trong sáu hình lục lăng bên cạnh của ô đó, đổi hướng ngược chiều kim đồng hồ 60 độ và di chuyển j ô; ô đích là ô đồng kênh gần nhất với ô ban đầu Bằng cách lặp lại mô hình này, các cụm các ô được hình thành, trong đó mỗi ô được cấp phát tập hợp các kênh khác nhau Một cụm các ô

như vậy được gọi là một nhóm Compact; số ô trong nhóm Compact tính bởi công thức N=i2 + ij + j2 [4]

b) Phân lớp ô

Mỗi ô được cấp phát một tập C kênh; một ô được phân lớp là nóng

hoặc lạnh phụ thuộc vào độ lạnh dc của nó được xác định bởi tỉ số giữa số

kênh rỗi và C, dc= số kênh rỗi/C Nếu dc nhỏ hơn hoặc bằng một ngưỡng

xác định h thì đó là ô nóng, ngược lại sẽ là ô lạnh Việc xác định h phụ

thuộc vào trung bình các cuộc gọi đến và tỉ lệ các cuộc gọi bị chấm dứt của toàn mạng

c) Phân lớp thuê bao trong ô

Thuê bao trong ô được phân lớp thành một trong 3 loại: mới, rời ô hoặc khác Thuê bao là mới nếu nó ở trong ô trong nhỏ hơn một khoảng thời gian τ Thuê bao rời ô là thuê bao bên trong vùng bóng và đang nhận

cường độ tín hiệu giảm dần từ trạm gốc của ô A trong khoảng thời gian cuối cùng ∝ Thuê bao không phải là mới hoặc rời ô sẽ được phân thành

tập kênh mượn, trong những điều kiện nhất định, các kênh này được tái

gán cho các thuê bao rời ô và kênh mà thuê bao rời ô đã sử dụng trước đây

sẽ được trả lại cho tập kênh có sẵn của ô, do vậy tập kênh của ô nóng luôn được cập nhật bổ sung Khi một kênh đã được một ô lạnh mượn, để tránh nhiễu đồng kênh với ô mượn thì kênh này phải bị khoá không chỉ ở ô cho mượn mà còn ở các ô đồng kênh của ô cho mượn mà không đồng kênh với

ô mượn

b) Cơ chế mượn kênh

- Điều kiện mượn kênh: Một ô nóng chỉ mượn kênh từ các ô lạnh thích hợp trong nhóm compact của nó Có 3 tham số xác định mức độ thích hợp của một ô lạnh L để cho mượn kênh:

a) Độ lạnh dc(L): Tỉ số giữa kênh rỗi của ô L trên tổng số kênh đã cấp phát cho ô L Ô càng lạnh càng thích hợp trong việc cho mượn kênh

b) Gần D(B,L): Khoảng cách giữa ô mượn kênh B và ô cho mượn L c) Ô nóng đồng kênh H(B,L): Số ô nóng đồng kênh với ô cho mượn kênh L mà không đồng kênh với ô mượn B

- Tiêu chuẩn mượn kênh: Ô L là ô có khả năng cho mượn tốt nhất nếu hàm F(B,L) của nó đạt giá trị lớn nhất

- Xác định số kênh cần mượn: Độ lạnh trung bình của mạng ký hiệu

là dcavr được tính bằng trung bình cộng của độ lạnh của tất cả các ô dc một

cách định kỳ Giả sử số lượng kênh rỗi trong ô nóng là h.C; X là số lượng kênh mà nó cần mượn từ các ô lạnh được xác định như sau: X= C.(dcavr - h)

c) Thuật toán mượn kênh

(1) Khởi tạo: MSC gửi các bản tin yêu cầu đến các trạm BTS để thu thập và tính toán các thông số cần thiết

- Tại MSC: tính các thông số H[i,j], dc,h, X;

- Tại các BTS: sử dụng các tham số C, p, dc, h để tính thông số r; mỗi

ô nóng tính giá trị NumDepart[i]

(2) Nhận giá trị NumDepart[i]

(3) Lựa chọn các ô lạnh lân cận có giá trị NumDepart[i] khác 0; sắp

xếp các ô theo thứ tự giảm dần của giá trị F(B,L)

(4) Với mỗi ô trong danh sách trên, thực hiện mượn kênh cho đến khi

số kênh mượn bằng NumDepart[i]; khóa kênh cho mượn ở các ô đồng

kênh với L nhưng không đồng kênh với B

(5) Thực hiện bước (4) cho đến khi số kênh cần mượn được mượn đủ (6) Tính F(B,L) cho tất cả các ô lạnh còn lại trong tổ hợp ô cố định, nghĩa là trừ các ô lạnh đã xử lý trong các bước (3), (4), (5)

(7) Mượn kênh ở ô có giá trị F(B,L) lớn nhất; khóa kênh cho mượn ở các ô đồng kênh với L nhưng không đồng kênh với B; tính lại F(B,L) với giá trị mới dc

(8) Thực hiện bước (7) cho đến khi số kênh cần mượn được mượn đủ

d) Thuật toán tái gán kênh

Thuật toán gán kênh ưu tiên các yêu cầu (cấp phát) kênh dựa theo lớp mà chúng thuộc vào Có 4 lớp yêu cầu kênh:

- Lớp 1 là các yêu cầu chuyển giao từ các thuê bao đi qua vùng biên của các ô Có mức ưu tiên cao nhất để nhận kênh

- Lớp 2 là các yêu cầu kênh phục vụ thiết lập cuộc gọi; có mức ưu tiên thứ 2

- Lớp 3 là các yêu cầu dành cho tái gán kênh Có 2 kiểu tái gán kênh: a) kiểu 1 là việc tái gán một kênh địa phương cho một thuê bao “mới” hoặc thuê bao “khác” mà đang sử dụng một kênh đi mượn, nếu kênh địa phương này không thỏa mãn yêu cầu của lớp 1 và 2; b) kiểu 2 là tái gán một kênh đã mượn cho thuê bao đang rời ô mà đang sử dụng kênh địa phương, nếu kênh đã mượn không thỏa mãn các yêu cầu của lớp 1 và 2 Yêu cầu lớp 3 là dành cho tái gán kênh kiểu 1

- Lớp 4 là các yêu cầu dành cho tái gán kênh kiểu 2

Trong trường hợp có nhiều yêu cầu của cùng một lớp, thuật toán sẽ lựa chọn ngẫu nhiên một thuê bao để nhận kênh

Đánh giá thuật toán cân bằng tải động qua mô hình Markov

Si là trạng thái của một ô với i là số kênh đang được sử dụng, hoặc là cấp cho yêu cầu kênh của thuê bao tại chỗ, hoặc là cho ô nóng khác mượn

Nếu i< (1 −h C)  thì đó là ô lạnh, nếu i< (1 −h C)  thì đó là ô nóng Đối với

một ô ở trạng thái lạnh (tương ứng là ở trạng thái nóng), xác suất chuyển

đổi về phía trước là p f , nghĩa là trạng thái thay đổi khi cấp một kênh rỗi

cho một yêu cầu kênh (tương ứng là p ’ f ), và chuyển đổi ngược lại là p r, nghĩa là trạng thái thay đổi khi một kênh bận được giải phóng (tương ứng

là p ’ r)

Quá trình đến, quá trình mượn kênh và quá trình xử lý cuộc gọi trong mỗi ô tuân thủ phân bố Poisson Gọi tốc độ đến của các yêu cầu kênh nội

bộ là λ i, (1≤i≤4), tốc độ đến của các yêu cầu mượn kênh là λ’ , thời gian

trung bình diễn ra cuộc gọi trong ô là 1/µ

P i là xác suất của trạng thái S i với l =p f /p r và l ’ =p ’ f /p ’ r

l l

C h i

P l P

C h i C h

i

i

) 1 ( :

) 1 ( 0

:

0 ) ) 1 ( ( ' ) 1 (

−

−

=

− +

−

'

' ' ) 1 ( 1 ) 1 ( 0

1

1 1

1

1

l

l l l l

l

C h C

Xác suất từ chối cuộc gọi của ô là:

0 ' ) 1 (

P l l

P C = −h C hC (3.5)

Ph là xác suất trạng thái trở nên nóng của một ô:

0 '

) 1 ( ' )

1 (

) 1 (

1

1

P l

l l

P p

hC C

C h i

C h i

Ngưỡng h được xác định bởi hệ:

( )

'( 1) (1 )

l p

ưu của hệ thống

3.2 Thuật toán cấp phát kênh thích nghi

Mô hình hệ thống và giả thiết

Mô hình hệ thống mạng di động tế bào được sử dụng để nghiên cứu, đánh giá thuật toán cấp phát kênh thích nghi cũng tương tự như mô hình hệ thống khi xem xét, đánh giá thuật toán LBSB (mục 3.1) Điểm khác biệt cơ bản ở đây là: hệ thống sử dụng 2 ngưỡng, ngưỡng nóng và ngưỡng lạnh (được xác định thích nghi, phù hợp với trạng thái hệ thống), để phân loại các ô trong hệ thống thành 3 lớp tương ứng với trạng thái của ô - cũng chính là số kênh rỗi trong ô, đó là ô lạnh, ô trung bình và ô nóng Điều

này cho phép ngăn chặn hiệu ứng “quả bóng bàn”, nghĩa là: trạng thái ô

liên tục chuyển từ nóng sang lạnh và ngược lại

Cơ chế cấp phát kênh thích nghi

a) Xác định ngưỡng

Ký hiệu ci là số kênh rỗi trong ô thứ i, 2 ngưỡng nóng Th và lạnh Tl

để phân loại các ô thành 3 lớp khác nhau, 0≤ Th ≤ Tl ≤ C Nếu số kênh rỗi trong ô i bằng hoặc lớn hơn ngưỡng lạnh tức là ci ≥ Tl thì nó được gọi là ô lạnh, nếu số kênh rỗi của ô i nhỏ hơn hoặc bằng ngưỡng nóng, tức ci≤ Ththì đó là ô nóng, nếu Tl>ci>Th thì nó được gọi là ô trung bình Ngưỡng lạnh Tl được xác định bằng trung bình cộng của số kênh rỗi của các ô trong toàn mạng cavr, ngưỡng nóng Th = Tl - ∆lh, với ∆lh>0 và Th> cmin, cmin

là giá trị nhỏ nhất mà Th có thể nhận được

b) Thuật toán mượn kênh

Bước 1: Mượn kênh từ các ô lân cận lạnh mà có các thuê bao chuyển

vùng về đó

a Tìm các ô lân cận lạnh mà các phần tử của mảng NumDepart ≠0

b Chọn những ô này là các ứng cử viên cho mượn kênh Mượn kênh

từ ô lạnh mà NumDepart[n] khác 0 cho tới khi hoặc trạng thái lạnh bị thay đổi hoặc bất kỳ ô đồng kênh nào không còn lạnh hoặc số kênh đã mượn bằng NumDepart[n] Khoá mỗi kênh đã cho mượn ở ô cho mượn và các ô đồng kênh để tránh nhiễu

Bước 2: Mượn kênh từ các ô lân cận lạnh mà không có thuê bao

Bước 3: Mượn kênh từ các ô lạnh khác của nhóm compact

Thủ tục giống như trên ngoại trừ các ô lân cận mà ô nóng là trung tâm

c) Thuật toán khóa kênh

Bước 1: Lấy ô i làm tâm, chia các ô trong hệ thống thành 6 vùng

bằng 6 đường thẳng l1, l2,…, l6

Bước 2: Nếu ô k không nằm trên đường thẳng nhưng nằm giữa lj và

lj+1 thì khoá kênh ở các ô j-1, j và j+1 Ở đây, j được đánh số từ 1 đến 6, khi j=1 thì j-1=6, khi j=6 thì j+1=1

Bước 3: Nếu ô k nằm trên đường thẳng lj thì khoá kênh ở các ô j-1

và j Nếu i≥j thì khoá ô đồng kênh j+1, ngược lại thì khoá ở ô j-2

Đánh giá hiệu suất

Kết quả mô phỏng cho thấy, thuật toán cấp phát kênh thích nghi hoạt động hiệu quả hơn thuật toán LBSB: xác suất từ chối cuộc gọi thấp hơn Ngoài ra, thuật toán cấp phát kênh thích nghi chỉ cần được thực hiện đối với mỗi ô nóng có nhu cầu mượn kênh vì vậy đơn giản hơn trong thiết kế, thực hiện thuật toán và hiệu quả hơn mỗi khi kích hoạt thuật toán Nguyên nhân đạt được những ưu điểm trên là:

- Thuật toán cấp phát kênh thích nghi sử dụng 2 ngưỡng, ngưỡng nóng và ngưỡng lạnh, để ngăn không cho hiệu ứng “quả bóng bàn” xảy ra (đó là, trạng thái ô chuyển liên tục từ nóng sang lạnh và ngược lại)

- Ngưỡng nóng và ngưỡng lạnh được xác định một cách thích nghi, phù hợp với trạng thái hệ thống, từ đó cho phép tận dụng tối đa kênh rỗi của hệ thống để cho mượn

- Thuật toán cấp phát kênh thích nghi xem xét cả trạng thái của các ô đồng kênh với ô lạnh khi quyết định mượn kênh Điều này cho phép tránh được hiệu ứng mượn kênh trong vòng lặp, làm lãng phí tài nguyên tần số của hệ thống

3.3 Một số cải tiến của thuật toán khoá đồng kênh thích nghi

Thuật toán khoá đồng kênh thích nghi của tác giả Lung-Ching Juan được đề xuất trên cơ sở thuật toán Adapt của Yongbing Zhang, cùng chia các ô cho mượn trong hệ thống thành 6 vùng bằng các đường thẳng ln, và

đã bổ sung thêm việc phân loại các nhóm compact thành 3 lớp theo tham

số shift (i, j) khác nhau [6] Dựa vào việc phân loại này và áp dụng khoảng cách tái sử dụng đồng kênh [1], tác giả đã chứng minh trong một số trường hợp chỉ cần khoá kênh trong 2 ô đồng kênh là đủ

Tác giả Lung-Ching Juan [7] mô phỏng đề xuất của mình với các tham số: (i,j)=(3,2), phân phối cuộc gọi đến mỗi ô tuân theo hàm phân phối Poisson λ, thời gian giữ cuộc gọi theo phân phối hàm mũ 1/µ của 500s, ∆lh= 2, r=0,8, cmin=0,05C Kết quả mô phỏng được so sánh với nhóm các phương pháp FCA và DCA và cho thấy xác suất khoá cuộc gọi là thấp hơn

Thuật toán của Lung-Ching Juan đã làm giảm số ô đồng kênh phải khoá trong một số trường hợp xuống chỉ còn là 2, tuy nhiên thuật toán mới chỉ ra được ô ở vùng nào cần phải khoá, chưa chỉ chính xác là ô nào, đặc biệt khi ô phải khoá không xác định được theo quy luật thì chỉ ra chính xác