Báo cáo khoa học: " CẢI TIẾN CÁC THUẬT TOÁN MƯỢN VÀ KHOÁ KÊNH TẦN SỐ MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO" pdf

Bằng việc sử dụng hai ngưỡng nhằm phân loại các tế bào ô thành 3 l ớp khác nhau, tiếp theo là định vị chính xác ô đồng kênh cần phải khoá kênh tần số, số lượng ô đồng kênh cần phải khoá

C ẢI TIẾN CÁC THUẬT TOÁN MƯỢN VÀ KHOÁ

IMPROVING THE FREQUENCY CHANNEL BORROWING AND LOCKING ALGORITHM IN CELLULAR MOBILE SYSTEM

ĐỖ HỮU TRÍ

Học viện Công nghệ Bưu chính, Viễn thông

VŨ DUY LỢI

Trung tâm Tin h ọc - Văn phòng Trung ương Đảng

HÀ MẠNH ĐÀO

Viện Công nghệ Thông tin

TÓM T ẮT

Trong bài báo này chúng tôi trình bày hai c ải tiến trong cấp phát kênh tần số của mạng

di động tế bào Bằng việc sử dụng hai ngưỡng nhằm phân loại các tế bào (ô) thành 3

l ớp khác nhau, tiếp theo là định vị chính xác ô đồng kênh cần phải khoá kênh tần số, số lượng ô đồng kênh cần phải khoá kênh tần số và gia tăng số kênh mà ô nóng có thể mượn được từ ô lạnh Kết quả cho thấy xác xuất khoá kênh của phương pháp mới

th ấp hơn và số kênh mà ô nóng mượn được từ các ô lạnh cao hơn so với LBSB [2], Adapt [4]

ABSTRACT

In this paper, we propose two reformations of channel frequency allocation in the cellular mobile system By using two thresholds to classify cellular in three difference classes, we determine the co-channel cells that need to lock the channel frequency and the number of co-channel cell have to be locked and increase the number of chanels which a hot cell can borrow from a cold cell Expriments have showed the proposal method has a lower blocking probability and a higher borrowing channel than LBSB [2], Adapt [4]

1 Gi ới thiệu

Trong mạng di động tế bào, việc mượn kênh tần số nhằm làm giảm tải ở những vùng có lưu lượng cao, khoá tần số ở ô đồng kênh nhằm tránh nhiễu có vai trò hết sức quan trọng trong việc quản lý và chia sẻ phổ tần số cho các thuê bao một cách hiệu quả Tác giả Sajal K Das đã đề xuất phương pháp cân bằng tải với mượn chọn lọc (LBSB) [2], theo đó việc mượn kênh được thực hiện trước khi số kênh rỗi trong ô cạn kiệt và

việc mượn kênh không chỉ từ các ô lân cận mà bao gồm tất cả các ô cùng nhóm compact với nó Trong LBSB, độ lạnh của một ô được xác định bởi tỉ số giữa số kênh

rỗi và tổng số kênh mà ô đó được cấp phát Nếu tỉ số này lớn hơn một giá trị ngưỡng nào đó thì nó được gọi là ô lạnh, ngược lại là ô nóng và phải mượn kênh Tuy nhiên, ô nóng chỉ ưu tiên mượn kênh từ các ô lân cận để phục vụ cho các thuê bao chuyển giao,

mặc dù các ô này vẫn còn kênh rỗi nhưng chúng không được tiếp tục tham gia cho

mượn, mặt khác do sử dụng một ngưỡng nên phương pháp này hay xảy ra hiệu ứng quả bóng bàn, nghĩa là sau khi ô lạnh và các ô đồng kênh tham gia cho mượn kênh thì chúng

lại trở thành ô nóng cần phải mượn kênh Bên cạnh đó ô đồng kênh phải khoá luôn là 6 Tác giả Yongbing ZHANG đã đề xuất phương pháp gán kênh thích nghi (Adapt) [4], sử

dụng hai ngưỡng nóng và lạnh để phân các ô thành 3 lớp: lạnh, trung bình, nóng Ô nóng mới được mượn kênh và ô lạnh mới được cho mượn kênh Phương pháp này đã

giảm số ô phải khoá đồng kênh xuống còn 3 tuy nhiên ô nóng vẫn chỉ ưu tiên mượn kênh từ các ô lân cận để phục vụ nhu cầu chuyển giao và sau đó có thể các ô này vẫn còn kênh rỗi nhưng nó không mượn tiếp Do sử dụng 2 ngưỡng nên phương pháp này tránh được hiện tượng quả bóng bàn tuy nhiên số kênh mà ô nóng mượn được sẽ thấp

hơn so với LBSB do số kênh rỗi của ô lạnh và ô đồng kênh phải lớn hơn ngưỡng lạnh

mới được khoá kênh

Nhằm làm tối đa số kênh mà một ô nóng có thể mượn được, chúng tôi đề xuất 2 thuật toán mượn kênh và khoá kênh, theo đó ô nóng còn mượn kênh từ các ô khác nếu chúng còn kênh rỗi, số ô phải khoá đồng kênh trong một số trường hợp chỉ cần 2 là đảm

bảo tránh được nhiễu đồng kênh Các thuật toán này cũng sử dụng hai ngưỡng nóng và

lạnh Mặt khác để tăng số kênh mà ô nóng có thể mượn được nhằm giảm hơn nữa số ô nóng còn lại sau khi chạy thuật toán, các ô đồng kênh của ô cho mượn có thể khoá kênh

ở cho đến khi số kênh rỗi giảm xuống một mức thấp hơn ngưỡng lạnh nhưng vẫn đảm

bảo không gây ra hiệu ứng quả bóng bàn

Nội dung bài báo được bố cục như sau: Phần hai sẽ trình bày tóm tắt những khái

niệm cơ bản nhất liên quan đến phân hoạch ô trong mạng tế bào Phần ba đề xuất cải

tiến thuật toán mượn kênh tần số và khoá ô đồng kênh Phần bốn trình bày về mô phỏng

và đánh giá kết quả Phần năm là kết luận của bài báo

2 H ệ thống thông tin đi động tế bào

2.1 Nhóm Compact

a) T ổ chức kết nối b) Nhóm Compact (i=2, j=1)

Hình 1 M ạng di động tế bào

Mạng di động tế bào được tổ chức thành một tập hợp các ô lục lăng, mỗi ô được

phục vụ bởi một trạm điều khiển BS (Base Station) đặt tại trung tâm ô [1] Tập hợp các

ô được liên kết với nhau tạo thành một trung tâm chuyển mạch (MSC) và hoạt động như

một cổng của mạng tế bào kết nối tới các mạng viễn thông PSTN, ISDN hoặc mạng máy tính LAN/WAN khác Các BS kết nối với các thuê bao di động bằng đường truyền

vô tuyến và với MSC bằng đường truyền hữu tuyến (Hình 1-a)

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 này

gọi là khoảng cách tái sử dụng đồng kênh Hai tham số i và j được gọi là các tham số shift, được xác định trước 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 ba n 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 tần số khác nhau Một cụm các ô như vậy được gọi là một nhóm Compact Số

ô trong nhóm Compact được tính bởi công thức N=i2

+ ij + j2

2.2 Phân l ớp ô

Một ô sẽ được phân thành ô nóng hoặc lạnh [2] theo cách thức sau:

dc

− h: tham số ngưỡng thường là 0,2 hoặc 0,25,…, h xác định bởi trung bình các

cuộc gọi đến và cuộc gọi bị rớt

=(số kênh rỗi trong ô/C)

Nếu dc≤h thì ô ở trạng thái nóng (ô nóng), ngược lại ô ở trạng thái lạnh (ô lạnh) Khi ô đạt tới trạng thái nóng, nó phải thực hiện mượn kênh từ ô lạnh Ô nóng không được phép cho ô khác mượn kênh và ô lạnh cũng không được mượn kênh từ ô khác

2.3 Phân l ớp thuê bao trong ô

Thuê bao trong ô được phân thành một trong 3 loại

mới, rời ô và khác [2]

Thuê bao là mới nếu nó ở trong ô trong nhỏ hơn một

khoảng thời gian τ

Thuê bao rời ô được xác định như sau: Xem xét vùng

biên bóng xung quanh ô A như hình 2 Tham số r là độ rộng

của vùng bóng, xác định xác xuất tìm kiếm thuê bao trong vùng đó Thuê bao rời ô là

thuê bao bên trong vùng bóng và đang nhận cường độ tín hiệu giảm dần từ BS của ô A trong khoảng thời gian cuối cùng ∝

Thuê bao không phải là mới hoặc rời ô sẽ được phân thành lớp khác

3 Đề xuất thuật toán mượn kênh và khoá kênh

Ô nóng sẽ chọn các ô lạnh để mượn kênh một cách ngẫu nhiên và mượn một tập kênh mỗi lần như theo Adapt Khi ô lạnh cho mượn kênh, các ô đồng kênh với nó phải khoá tần số này lại để tránh nhiễu

3.1 Xác định ngưỡng và phân lớp thuê bao

Ký hiệu ci là số kênh rỗi trong ô thứ i Ở đây sẽ sử dụng 2 ngưỡng nóng h và

Hình 2 Phân l ớp thuê bao

lạnh l để phân loại các ô thành 3 lớp và 0≤ h ≤ l ≤ C Ô có giá trị ci ≥ l thì nó được gọi là

ô lạnh, nếu ci≤h thì đó là ô nóng, nếu l >ci> h thì nó được gọi là ô trung bình

Ngưỡng lạnh l được xác định bằng trung bình cộng của số kênh rỗi của các ô trong toàn mạng cavr, ngưỡng nóng h xác định bởi trung bình cộng của số kênh rỗi của các ô mà có ci < cavr

3.2 S ố lượng kênh cần mượn

Ô nóng được phép mượn kênh từ các ô lạnh nhưng ô lạnh không được phép mượn kênh Ô trung bình không được phép mượn hoặc cho mượn kênh

Số lượng kênh tần số mà một ô nóng cần mượn như sau:

X= C.dcavr-1 -ci , ở đây ci

3.3 Thuật toán mượn kênh

là số kênh rỗi của ô nóng (1)

 B ước 1 Khi không có thuê bao rời ô, mượn kênh cho các thuê bao bên trong ô

từ các ô lân cận và compact, khoá đồng kênh Break (chấm dứt thuật toán)

 B ước 2 Có thuê bao rời ô, mượn kênh từ ô lân cận, lạnh cho các thuê bao đang

rời ô nóng và hướng tới ô này Khoá kênh

Nếu cần mượn=0, Break

 B ước 3 Kiểm tra còn thuê bao nào rời ô không ? nếu không còn thì mượn cho

các thuê bao bên trong ô từ ô lân cận (bao gồm cả các ô đã được xét ở bước 2)

và các ô còn lại trong nhóm compact Khoá kênh Break

 B ước 4 Nếu có thuê bao rời ô, mượn kênh cho các thuê bao này từ ô lân cận,

lạnh mà không có thuê bao nào hướng tới (bao gồm cả các ô đã được xét ở Bước 2) Khoá kênh

Nếu cần mượn=0 Break hoặc nếu cần mượn>0, tiếp tục bước tiếp theo

 B ước 5 Kiểm tra số thuê bao rời ô, nếu=0 thì mượn kênh cho các thuê bao bên

trong ô từ các ô lân cận và cùng compact Khoá kênh Break

 B ước 6 Nếu số thuê bao rời ô >0, mượn kênh từ các ô cùng nhóm compact cho

các thuê bao này Khoá kênh

Nếu cần mượn=0, Break hoặc nếu cần mượn=0>, tiếp tục bước tiếp theo

 B ước 7 Thực hiện mượn kênh từ các ô cùng nhóm compact cho các thuê bao

còn lại Khoá kênh Break

3.4 Xác định ô đồng kênh cần khoá

R là bán kính của mỗi ô, D là khoảng cách giữa 2 tâm của 2 ô, theo [3]:

D=(i2 + ij + j2) 1/2 31/2 R = (3N) 1/2 R (2) Xét tham số shift giữa A và các ô đồng kênh của ô cho mượn kênh là (ik, jk) thì

dựa theo công thức (2) ta có:

Dk= (3Nk) 1/2 D

k là khoảng cách tái sử dụng đồng kênh giữa ô A và một trong các ô đồng kênh

của ô cho mượn kênh, do vậy:

Nếu Dk≥D hoặc Nk

3.5 Thu ật toán khoá kênh

≥N thì ô đồng kênh của ô cho mượn không phải khoá kênh (4)

Nếu Dk<D hoặc Nk<N thì ô đồng kênh của ô cho mượn phải khoá kênh đã cho

Ô A nóng và mượn kênh từ ô B lạnh

 B ước 1: Chia các ô trong hệ thống với tâm tại B bằng 6 đường thẳng ln

6

, n=1,…,

 B ước 2: Phân loại các nhóm compact thành 3

lớp theo tham số shift như sau:

thành 6 vùng khác nhau Khi n=1 thì n-1=6

và khi n=6 thì n+1=1

o Lớp 1: {(i,j)| i/2 <j≤i},

o Lớp 2: {(i,j)| 0<j≤ i/2 },

o Lớp 3: {(i,j)| j= i/2 hoặc j= i/2 }

 B ước 3: Đối với các nhóm compact thuộc lớp

1, nếu ô nằm trên đường thẳng ln

đường thẳng l

, thì khoá đồng kênh ở ô n-1 và n Nếu ô A nằm giữa 2

n và ln+1 Đối với các nhóm compact thuộc lớp 2, nếu ô A nằm trên đường thẳng l

thì khoá 3 ô đồng kênh n-1, n và n+1

n thì khoá 3 ô đồng kênh n-1, n và n+1 Nếu ô A nằm giữa ln và ln+1

4 Mô ph ỏng và đánh giá kết quả

thì khoá 2 ô đồng kênh n

và n+1

Đối với các nhóm compact thuộc lớp 3, không thể định vị chính xác các ô cần khoá kênh theo chỉ số n, do vậy sẽ sử dụng cách tính khoảng cách theo công thức pitago trên mặt phẳng toạ độ hoặc biểu thức (4), (5) Một số trường hợp, ô đồng kênh cần khoá

chỉ cần là 2

Các đề xuất đã được thử nghiệm trên chương trình mô phỏng, chương trình được thiết kế bằng ngôn ngữ C và chạy trên môi trường C-Free Chương trình mô phỏng sẽ

sản sinh ra kết quả là các tệp vết, có kích thước tăng tuyến tính khi phát sinh ô nóng

phải mượn kênh, theo các mô phỏng của chúng tôi, khi phát sinh ô thứ 36 nóng thì kích

cỡ tệp đã là 6,7Mb Kết quả được so sánh với phương pháp LBSB và Adapt Mạng có

190 ô, mỗi ô được cấp phát C=100 tần số, bán kính của ô là 1 Hai tham số shift nhận giá trị 3 và 2, số ô N của nhóm compact là 19 Ngưỡng h nhằm xác định trạng thái nóng

hoặc lạnh của một ô là 20 Cuộc gọi đến mỗi ô theo hàm phân phối Poisson Khi một

tần số ở trạng thái bận hoặc rỗi sẽ có giá trị 0 hoặc 1 Trạm BTS của mỗi ô sẽ nhận biết

những ô nào là ô lận cận, ô nào là cùng nhóm compact với nó hoặc những ô nào là đồng

Hình 3: Phân vùng ô đồng kênh

kênh gần nhất

4.1 Kh ả năng mượn kênh

B ảng 1 Khả năng mượn kênh của ô nóng

Hình 4 So sánh kh ả năng mượn kênh của các phương pháp

Số lượng ô nóng còn lại trong thuật toán LBSB là 20, trong thuật toán Adapt là

18, và trong thuật toán mới là 17

Trong một số trường hợp, ô nóng trong cả 3 thuật toán cùng không mượn được kênh (ô 11, 18, 25, 32, 60, 108) vì lý do một vài ô thuộc nhóm compact của nó ở trạng thái nóng nên không thể cho mượn kênh hoặc có ô lạnh có thể cho mượn kênh nhưng trong nhóm các ô đồng kênh mà phải khoá kênh lại có ô ở trạng thái nóng (số kên h rỗi

<=21) đối với thuật toán LBSB hoặc ở trạng thái trung bình đối với thuật toán Adapt và thuật toán do chúng tôi đề xuất, dẫn đến việc mượn kênh không thể thực hiện được

Trong tất cả các trường hợp, số lượng kênh mà ô nóng mượn được trong thuật toán mới bao giờ cũng lớn hơn so với trong thuật toán của Adapt Có 12 trường hợp, ô nóng mượn kênh theo thuật toán LBSB mượn được số lượng kênh thấp nhất so với thuật

toán Adapt và thuật toán mới 7 trường hợp, ô nóng mượn kênh theo thuật toán LBSB mượn được số lượng kênh lớn nhất so với 2 thuật toán còn lại, tuy nhiên đây là do

ngưỡng h của LBSB thấp hơn so với ngưỡng l nên số ô lạnh có thể tham gia cho mượn kênh sẽ lớn hơn 16 trường hợp, ô nóng mượn kênh theo thuật toán mới đề xuất mượn được số lượng kênh là lớn nhất so với thuật toán LBSB và Adapt

4.2 Khoá ô đồng kênh

Sau khi một ô lạnh cho mượn kênh, thì tần số này phải bị khoá ở các ô đồng

kênh, số lần phải khoá khi ô nóng mượn kênh như ở bảng 2:

B ảng 2 Số lần khoá ở ô ô đồng kênh

Ô nóng 0 11 18 24 25 32 35 55 59 60 64 66 68 71 74 LBSB 60 0 0 99 0 0 0 96 96 0 93 0 45 0 18 Adaptive 2 0 0 40 0 0 17 3 66 0 0 24 0 0 4

TT mới 15 0 0 27 0 0 26 58 67 0 7 36 0 2 3

Ô nóng 80 91 106 108 111 118 125 126 129 139 147 169 180 186 LBSB 0 0 90 0 0 68 18 0 116 84 90 60 63 0 Adaptive 15 42 12 0 23 0 51 0 12 19 9 19 49 10

TT mới 18 60 33 0 26 0 102 4 20 42 8 40 22 11

Hình 5 S ố lần khoá kênh của phương pháp mới và LBSB

Ta thấy, trong hầu hết các trường hợp ô nóng mượn kênh, mặc dù số kênh mượn được lớn hơn nhưng số lần phải khoá kênh trong thuật toán mới bao giờ cũng thấp hơn

so với thuật toán LBSB

Khoá kênh theo phương pháp mới và Adapt: Số ô phải khoá đồng kênh trong

thuật toán Adapt bao giờ cũng là 3, đối với thuật toán mới trong một số trường hợp chỉ

cần 2 là đủ Như đã trình bày ở trên, trong tất cả các trường hợp, số lượng kênh mà ô nóng mượn được trong thuật toán mới bao giờ cũng lớn hơn so với trong thuật toán

Adapt nên nhiều khi số lần khoá kênh ở thuật toán mới lớn hơn số lần khoá đồng kênh ở

thuật toán Adapt

4.3 Điều chỉnh ngưỡng khoá đồng kênh

Để tăng cường thêm số kênh cho mượn, làm giảm bớt số ô nóng, chúng tôi điều

chỉnh đối với các ô đồng kênh, ngưỡng khoá kênh thấp hơn giá trị ng ưỡng lạnh Khi

ngưỡng này là 40, kết quả cho thấy số ô nóng trước đây còn là 17 thì đã giảm xuống chỉ

còn 14, thậm chí nếu ngưỡng khoá kênh là 35 thì số ô nóng chỉ còn là 12 Qua các lần

điều chỉnh, ngưỡng khoá ô đồng kênh là C.h+C dcavr-h 3/4 là phù hợp

5 K ết luận

Bài báo đã đề xuất phương pháp mới trong cấp phát kênh tần s ố của mạng di

động tế bào, kiểm nghiệm kết quả và so sánh với phương pháp LBSB và Adapt Kết quả

cho thấy:

Khi một ô nóng mượn kênh, số kênh nó mượn được theo thuật toán của chúng

tôi đề xuất là lớn nhất, sau đó là Adapt, phương pháp LBSB cho khả năng mượn kênh

thấp nhất Số ô nóng còn lại sau khi chạy mô phỏng theo thuật toán của chúng tôi là

thấp nhất

Trong LBSB, số lượng ô đồng kênh phải khoá kênh tần số là 6, Adapt là 3, tuy

nhiên theo thuật toán đề xuất thì trong một số trường hợp chỉ cần 2 là đủ để đảm bảo

tránh nhiễu Tổng kết các lần mô phỏng cho thấy số lần phải thực hiện hoá kênh ở các ô

đồng kênh trong thuật toán mới là 41% so với LBSB và 83% so với Adapt

Nếu giảm ngưỡng khoá kênh thấp đi thì số lượng kênh các ô nóng mượn được sẽ

tăng lên, số ô nóng còn lại sau khi chạy mô phỏng sẽ càng giảm, nâng cao hiệu quả

mượn kênh Tuy nhiên không giảm nhiều quá sẽ gây ra hiệu ứng quả bóng bàn, theo

đánh giá thì giá trị này khoảng C.h+C dcavr-h 3/4 là đảm bảo hiệu quả

[1] I.Katzela and M.Naghshineh, Channel Asignment Schemes for Cellular Mobile

Telecommunication Systems: A Comprehensive Survey, IEEE Personal

Communications Magazine, vol 3, No 2, pages 10-31 June 1996

[2] Sajal K.Das, Sanjoy K.Sen, Rajeev Jayaram A Dynamic Load Balancing Strategy

for Channel Assignment Using Selective Borrowing in Cellular Mobile

Environment Wireless Networks, volume 3, page 333-347, 1997

[3] V H Mac Donald Advanced Mobile Phone Service: The Cellular Concept The

Bell System Technical Journal, volume 58, number 1 (1979), pages 15-41

[4] Yongbing ZHANG A New Adaptive Channel Assignment Algorithm in Cellular

Mobile Systems, Proc 32 nd Hawaii International Conference on System Science

1999