Các chính sách phân phối kênh động giúp chúng ta mở rộng các khái niệm nêu trên đối với các dịch vụ tích hợp các hệ thống không dây trong tương lai.. Luận văn chia làm ba phần tương ứng
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
GIÁP THỊ HƯỜNG
NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT
MỘT SỐ THUẬT TOÁN QUẢN TRỊ TÀI NGUYÊN
TRONG MẠNG KHÔNG DÂY
Ngành: Công nghệ thông tin
Mã số : 1.01.10
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Duy Lợi
Hà Nội - 2007
Trang 2Mục lục DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC HÌNH VẼ 4
MỞ ĐẦU 4
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO 6
1.1 Lịch sử phát triển của mạng di động 6
1.2 Kiến trúc mạng di động tế bào 9
1.3 Vấn đề gán kênh Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Các chiến lược gán kênh Error! Bookmark not defined.
1.3.2 Tiêu chí đánh giá các chiến lược gán kênhError! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 2 - CHIẾN LƯỢC MƯỢN KÊNH CÓ CHỌN LỌC
TRÊN CƠ SỞ CÂN BẰNG TẢI ĐỘNG Error! Bookmark not defined.
2.1 Mô hình mạng và các định nghĩa Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Lược đồ phân phối cố định sử dụng mô hình mẫuError! Bookmark not defined 2.1.2 Chiến lược thuê kênh Error! Bookmark not defined.
2.1.3 Lược đồ phân phối tần số có cân bằng tảiError! Bookmark not defined.
2.2 Kiến trúc cân bằng tải Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Phân lớp tế bào Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Phân lớp các thuê bao bên trong một tế bàoError! Bookmark not defined.
2.3 Nguyên tắc mượn kênh có chọn lọc (LBSB)Error! Bookmark not defined.
2.3.1 Chiến lược thuê kênh Error! Bookmark not defined.
2.3.2 Nguyên tắc của chiến lược mượn kênhError! Bookmark not defined.
2.3.3 Chiến lược gán kênh Error! Bookmark not defined.
2.3.3.1 Phân lớp yêu cầu kênh Error! Bookmark not defined.
2.3.3.2 Thuật toán gán kênh Error! Bookmark not defined.
2.4 Đánh giá hiệu suất hoạt động của chiến lược mượn kênhError! Bookmark not defined.
2.4.1 Mô hình Markov Error! Bookmark not defined.
2.4.2 Tính toán thông số h Error! Bookmark not defined.
2.4.3 Kết quả thực nghiệm Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3 - CHIẾN LƯỢC GÁN KÊNH ĐỘNGError! Bookmark not defined.
3.1 Đặt vấn đề Error! Bookmark not defined.
3.2 Phương thức trao đổi thông tin di động Error! Bookmark not defined.
3.2.1 Cấu trúc dữ liệu Error! Bookmark not defined.
Trang 33.2.2 Kiểu thông điệp và hàm hệ thống Error! Bookmark not defined 3.2.3 Các thủ tục và hàm cơ bản Error! Bookmark not defined.
3.3 Thuật toán gán kênh thích nghi Error! Bookmark not defined.
3.3.1 Mô tả thuật toán Error! Bookmark not defined 3.3.2 Tính đúng đắn của thuật toán Error! Bookmark not defined 3.3.3 Hiệu suất của thuật toán Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 11
Trang 4MỞ ĐẦU Ngày nay, các dịch vụ không dây đang là một trong những lĩnh vực truyền thông phát triển mạnh mẽ nhất Trên thế giới cũng như tại Việt Nam,
số lượng các thiết bị không dây sử dụng và khai thác nguồn tài nguyên mạng đang tăng lên nhanh chóng về số lượng, như vậy, đồng hành với số lượng, các nhà nghiên cứu đang tìm các thuật toán, giải pháp tối ưu để sử dụng các nguồn tài nguyên mạng hiệu quả nhất
Các lược đồ phân phối kênh động đã và đang thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu, ví dụ như các phương pháp để khai thác hiệu quả nhất các nguồn tài nguyên sẵn có trong mạng không dây Sự kết hợp rộng rãi của các thành phần như: nhiệm vụ kênh cố định, mượn kênh, chia sẻ kênh, điều hành kênh, phân bố lại nhiệm vụ của kênh, và điều chỉnh động các tham số yêu cầu Các chính sách phân phối kênh động giúp chúng ta mở rộng các khái niệm nêu trên đối với các dịch vụ tích hợp các hệ thống không dây trong tương lai
Nghiên cứu các vấn đề về phân phối nguồn tài nguyên tối ưu trong mạng không dây, trong đó có những tài nguyên quý giá (băng thông) phải được sử dụng hiệu quả nhất và chia sẻ công bằng giữa những người sử dụng
So với mạng có dây truyền thống, những tính chất đặc trưng của mạng không dây đặt ra cho chúng ta nhiều thử thách mới, và ngăn chặn ứng dụng lặp của các phương pháp phân phối nguồn tài nguyên sẵn có
Nghiên cứu sự phân loại các lược đồ phân phối kênh động trong phạm
vi luận văn này là trả lời 3 câu hỏi:
o Khi nào có thể chấp nhận một tín hiệu truy nhập?
o Kênh nào có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu truy nhập?
o Khi nào và làm cách nào để phân lại nhiệm vụ cho các kênh mới đối với các tín hiệu truy nhập đang tồn tại?
Luận văn chia làm ba phần tương ứng với ba chương:
Chương 1- Tổng quan về Mạng di động tế bào: Chương này trình
bày lịch sử phát triển, giới thiệu một số hệ thống mạng di động đã
và đang được ứng dụng trên thế giới Các khái niệm cơ bản về mạng di động tế bào, trong đó quan trọng nhất là khái niệm tái sử
Trang 5dụng tần số, giới thiệu một số chiến lược cấp phát kênh và các tiêu chí đánh giá hiệu suất của các chiến lược cấp phát
Chương 2 - Chiến lược mượn kênh có chọn lọc trên cơ sở cân
bằng tải động: Chương này trình bày các kỹ thuật cân bằng tải đơn giản trong môi trường tế bào di động để giải quyết bài toán lưu lượng quá tải tại các điểm nóng Mục tiêu quan trọng mà ta cần đạt được là làm giảm bớt nhu cầu kênh tại các tế bào nóng bằng cách thuê kênh từ các tế bào lạnh thích hợp và có sự phân phối hợp lý của các kênh đang hoạt động giữa một số lượng thuê bao khổng lồ Lược đồ phân phối kênh cố định thuận lợi để khởi đầu, thuật toán cân bằng tải chạy định kỳ hoặc theo yêu cầu phục thuộc vào tính toán tải hệ thống Một mô hình chuỗi Markov cho một tế bào trong
hệ thống và giải pháp để đánh giá ngưỡng nhằm xác định tế bào là nóng hay lạnh Các ví dụ mô phỏng để đánh giá hiệu quả các chiến lược cho thấy lược đồ gán kênh làm giảm đáng kể số lượng các cuộc gọi bị khoá trong hệ thống quá tải với một lượng lớn các tế bào nóng
Chương 3 - Chiến lược gán kênh động Các lược đồ cấp phát kênh
động hỗ trợ tốt hơn dưới các điều kiện lưu lượng quá tải dù thời gian thu nhận kênh lớn hơn và phải bổ sung các thông điệp điều khiển Chương này trình bày một lược đồ gán kênh với các trạm chuyển mạch làm cân bằng lưu lượng mà không phụ thuộc vào các trạm khác trong vùng giao thoa, mục tiêu là làm giảm thiểu tỷ lệ các cuộc gọi bị rớt, tại cùng một thời điểm duy trì thời gian thu kênh trung bình và độ phức tạp thông điệp là nhỏ nhất
Ngoài ba chương chính, bố cục luận văn còn có các phần Mở đầu, Kết luận và Tài liệu tham khảo Phần kết luận nêu tóm tắt các vấn đề đã trình bày trong các chương, đánh giá các kết quả đã đạt được và chưa đạt được, đồng thời đưa ra các định hướng nghiên cứu, phát triển tiếp theo
Mặc dù đã rất cố gắng, song do khuôn khổ thời gian có hạn nên luận văn còn những hạn chế nhất định, tác giả rất mong nhận được những góp ý
để vấn đề nghiên cứu này ngày càng được hoàn thiện hơn
Trang 6CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO 1.1 Lịch sử phát triển của mạng di động
Năm 1974, FCC đã cấp một dải băng 40 MHz trong dải tần 800-900 MHz cho lĩnh vực truyền thông tế bào Chuẩn AMPS (Advance Mobile Phone Systems) cũng được giới thiệu vào năm 1979 và được FCC công nhận, lĩnh vực hoạt động chia làm 2 dải: dải A và dải B Truyền thông tế bào
là song công và băng tần chia làm 2 đường truyền: 25MHz được cấp cho đường định hướng hoặc đường downlink, đây là đường truyền từ máy phát tín hiệu ban đầu tới trạm thu tín hiệu đầu cuối Đường truyền thứ hai chủ yếu
là đường uplink hoặc đường đổi chiều theo chiều ngược lại với đường thứ nhất Hai đường truyền này chia nhau dải băng an toàn 45MHz để tránh hiện tượng giao thoa giữa các kênh phát và thu Hình 1.1 mô tả giới hạn dải phổ
do AMPS quản lý
Hình 1.1: Phân bố dải tế bào Mỗi dải A và B chiếm giữ 12.5MHz, trong đó 10MHz là phổ không
mở rộng (NES) và 2.5MHz là phổ mở rộng ES Mỗi dải 12.5MHz này được chia thành các kênh 30kHz, tạo thành tổng số 416 kênh/dải 21 kênh trong số
đó được sử dụng cho các thủ tục riêng như là: phân phối kênh, xác định vị trí, gửi thông điệp,… chúng được gọi là các kênh điều khiển Các kênh còn lại được dùng để giao tiếp và gọi là kênh hội thoại
Trong AMPS, mỗi kênh tần tương đương với một sóng mang tần số (sóng tần) và mỗi trạm di động được phân phối một kênh Do đó, AMPS chỉ
là FDMA (truy nhập đa tần) và là 1 hệ thống tế bào tương tự
Hệ thống tế bào được sử dụng phổ biến ở Châu âu là TACS (Hệ thống viễn thông truy nhập tổng) và NMT (hãng điện thoại di động Nordic) TACS được giới thiệu ở Anh vàp năm 1982, hệ thống này hoạt động với dải 900MHz, mỗi đường truyền có dải băng 25MHz và băng thông kênh là
Trang 725KHz Tại Ả Rập, Tây Ban Nha đã xây dựng hệ thống NMT hoạt động với dải 450MHz và 900MHz, tổng băng thông là 10MHz với băng thông kênh là 25KHz và 200 kênh Cả 2 hệ thống này đều có khả năng chuyển giao và roaming Tuy nhiên, các mạng tế bào ở các quốc gia không tương thích với nhau vì mỗi quốc gia được phân phối 1 dải tần khác nhau Trong tương lai, hạn chế này của dịch vụ mạng tế bào sẽ được khắc phục và phải xây dựng được một hệ thống mạng tế bào đa quốc gia
Tại Nhật, tập đoàn NTT đã phát triển hệ thống ở dải 800MHz tương
tự như AMPS Tokyo đã xây dựng được hệ thống điện thoại di động đầu tiên vào năm 1979 Năm 1985, hệ thống này đã hoạt động ở dải 30MHz với 600 kênh và băng thông kênh là 25kHz
Hệ thống viễn thông di động thế hệ thứ 2, là hệ thống tế bào số phát triển mạnh mẽ vào những năm 1990 Tại Bắc Mỹ, các chuẩn mở được giới thiệu cho các hệ thống tế bào số có sử dụng cùng một dải tần như AMPS Những chuẩn này được tích hợp thêm các kỹ thuật đa truy nhập và tạo thành FDMA
NA-TDMA hoặc D-AMPS là các chuẩn IS-54 đã được tích hợp kỹ thuật TDMA, trong đó sử dụng bộ chia thời gian có thể chia sẻ cho 6 thuê bao di động (thực tế chỉ có 3 thuê bao)
Năm 1994, chuẩn IS-95 giới thiệu kỹ thuật CDMA Kỹ thuật này dựa trên sự điều biến trải phổ cho phép nhiều thuê bao có thể truy nhập tới cùng một dải băng Mỗi thuê bao di động được phân phối một mã trực giao duy nhất gọi là mã Walsh Dải băng 12.5MHz được chia thành 10 dải băng CDMA, mỗi dải 1.25MHz Mỗi dải CDMA hỗ trợ 64 mã Walsh Mỗi dải CDMA có thể cung cấp gấp 8 lần so với khả năng của hệ thống tương tự [Gar00]
Tại Châu Âu, hệ thống viễn thông di động toàn cầu GSM, chuẩn hệ thống điện thoại di động số Pan-European do Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) xác lập, được giới thiệu vào năm 1982 Đây là một hệ thống TDMA và hoạt động ở dải 890 - 915 MHz với đường uplink và 935 -
960 MHz với đường downlink Băng thông tần số sóng mang là 200MHz và
có thể chia sẻ cho 8 thuê bao di động có sử dụng bộ chia thời gian
Trang 8Hệ thống tế bào số cá nhân (PDC: Personal Digital Cellular) là một chuẩn hệ thống tế bào số của Nhật, đây là hệ thống TDMA hoạt động ở dải 800MHz và 1.5GHz Nhìn chung, hệ thống PDC rất giống với hệ thống NA-TDMA, 3 thuê bao di động có thể chia sẻ cùng một tần số sóng mang Với giới hạn dải 800MHz, băng thông của đường uplink nằm giữa 810 và 826MHz và đường downlink nằm giữa 940 – 956MHz
Thành công của công nghệ tế bào thế hệ thứ 2 là giá thành giảm rất nhiều, dẫn đến sự bão hoà về khả năng và dịch vụ Không chỉ các hệ thống
tế bào phát triển mà khách hàng còn được sử dụng các dịch vụ thu phát đa ứng dụng, hỗ trợ âm thanh, dữ liệu và đa phương tiện Để hỗ trợ cho các nhu cầu cá nhân của các thuê bao di động, hệ thống vệ tinh đã bắt đầu khởi động Năm 1989, mạng viễn thông cá nhân (PCN: Personal Communication Network) đưa vào hoạt động ở dải 1.8GHz PCN là phiên bản của GSM, đó
là DCS-1800 (Digital Cellular System 1800) và ngày nay gọi là GSM-1800 Năm 1991, FCC cung cấp 120MHz quang phổ, chia thành 7 dải băng và gọi
là dịch vụ viễn thông cá nhân băng rộng (PCS) với dải băng 1.85GHz và dịch vụ viễn thông cá nhân băng hẹp với dải băng 900MHz
Sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống viễn thông di động phục vụ cộng đồng và thương mại càng thúc đẩy nhanh việc tích hợp các mạng di động và
cố định Ngày nay, mạng di động hoàn toàn có khả năng đáp ứng các dịch
vụ đa dạng cả về chất lượng và bảo mật Hệ thống di động phải có tính mềm dẻo để tích hợp các loại hệ thống viễn thông khác đang sử dụng hiện nay như hệ thống tế bào chung và riêng, các hệ thống sóng vô tuyến và vệ tinh Những yêu cầu này đang vượt quá khả năng công nghệ của hệ thống viễn thông di động thế hệ thứ 2 Những đòi hỏi này trong công nghệ thành phần, quản trị mạng và kỹ thuật dịch vụ làm cho sự ra đời của hệ thống viễn thông
di động thế hệ thứ 3 là tất yếu Mục đích chính của hệ thống này là cung cấp các dịch vụ viễn thông từ bất kỳ thuê bao nào tới bất kỳ thuê bao khác, tại bất kỳ địa điểm nào, vào bất kỳ thời điểm nào, qua bất kỳ môi trường nào, bằng cách sử dụng các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ với chất lượng dịch vụ đảm bảo và bảo mật an toàn
Hai hệ thống đang được phát triển đó là: UMTS và FPLMTS, được gọi chung là hệ thống viễn thông di động toàn cầu, hoạt động với dải băng
2000 MHz (IMT-2000: International Mobile Telecommunications) Sự phát
Trang 9triển vượt trội của 2 hệ thống này sẽ là bệ phóng trong suốt thập kỷ đầu của những năm 2000
UMTS sẽ xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta như ở nhà, cơ quan, trên ôtô, tàu hoả, máy bay hay đi bộ UMTS tích hợp tất cả các dịch vụ trong một dịch vụ bởi các hệ thống viễn thông di động khác nhau, ví dụ như: điện thoại di động, điện thoại không dây, vô tuyến công cộng, vô tuyến vệ tinh,…
Nó cho phép người sử dụng di chuyển trong suốt quá trình kết nối giữa các mạng viễn thông khác nhau UMTS cung cấp các dịch vụ băng rộng, tức là khả năng truyền âm thanh, văn bản, dữ liệu và hình ảnh qua một kết nối
FPLMTS bao gồm các tính năng như UMTS, tuy nhiên nó còn có khả năng phân bố tần số đều trên toàn cầu FPLMTS định rõ 4 ranh giới trong không gian nhằm phân chia nhu cầu khác nhau của các vùng dân cư đông đúc hoặc thưa thớt
Một trong những yêu cầu chính của UMTS/FPLMTS là phải có hiệu suất quang phổ cao, và để đạt được yêu cầu này thì cần phải có cơ chế quản
lý tần số linh hoạt, mềm dẻo đối với các nguồn tài nguyên vô tuyến Quản lý tần số hiện vẫn đang là đề tài nóng hổi từ cách đây 20 năm và các giải pháp
đề xuất cho đến nay vẫn đang được nghiên cứu, cải tiến để các hệ thống viễn thông đạt hiệu suất cao nhất
1.2 Kiến trúc mạng di động tế bào
Khái niệm tế bào xuất phát từ các hệ thống của Bell nằm trong dịch vụ điện thoại di động tiên tiến, là một kiến trúc mạng được tổ hợp từ các tế bào hình lục lăng Các tế bào đại diện cho các vùng địa lý Bên trong các tế bào, người sử dụng được gọi là các trạm di động có khả năng thiết lập hoặc nhận các cuộc liên lạc trong khi di chuyển bên trong mạng tế bào Mỗi tế bào có một trạm điều khiển cung cấp các kênh tần số cho các trạm di động Mỗi trạm điều khiển trong dịch vụ điện thoại di động tiên tiến (AMPS) coi là một
tế bào Mỗi tế bào được liên kết với trung tâm chuyển mạch di động (MSC) còn được gọi là cơ vụ điện thoại di động (MTSO) có vai trò điều khiển các cuộc gọi và hoạt động như là một cổng để kết nối với mạng khác Khi người
sử dụng di chuyển (ví dụ trạm di động đang sử dụng một kênh tần số) tới gần biên của tế bào, nó cần phải thay đổi kênh tần số hiện thời sang tần số khác của tế bào lân cận Quá trình này gọi là chuyển vùng Kiến trúc của hệ
Trang 10thống di động tiên tiến AMPS được minh hoạ như hình 1 Mục tiêu của AMPS là cung cấp dịch vụ điện thoại di động có khả năng: (a) Dung lượng thuê bao lớn; (b) Sử dụng hiệu quả phổ; (c) Đảm bảo tính tương thích, tiện lợi, dễ thích ứng với mật độ lưu lượng cao;
Hình 1.2: Kiến trúc mạng di động tế bào
Để có thể tạo ra các khả năng trên, người ta sử dụng các đặc trưng của
hệ thống tế bào là việc tái sử dụng tần số và phân chia tế bào
Tái sử dụng tần số là việc sử dụng cùng tần số mang ở những vùng khác nhau mà khoảng cách vừa đủ để nhiễu do việc sử dụng cùng tần số mang gây ra không ảnh hưởng đến chất lượng liên lạc Phân chia tế bào là việc cấu hình lại một tế bào thành các tế bào nhỏ hơn
Tái sử dụng tần số
Phân phối các kênh tần số trong mạng tế bào phụ thuộc vào rất nhiều tham số, chẳng hạn như kiến trúc hình học của tế bào, các đặc tính truyền tín hiệu và nhiễu tín hiệu Gán các kênh tần số là việc cấp phát tĩnh kênh tần số cho các thuê bao trong tế bào Cùng tập hợp tần số này được sử dụng lại trong tế bào khác với khoảng cách đủ để cho phép sử dụng các kênh tần số này với nhiễu tín hiệu gây ra là chấp nhận được Các tế bào mà sử dụng cùng tập hợp kênh tần số được gọi là các tế bào đồng kênh và khoảng cách giữa chúng gọi là khoảng cách tái sử dụng đồng kênh Tổng số tần số mang cấp phát cho mạng được phân chia thành các tập hợp và mỗi tập được gán cho một tế bào bên trong một cụm các tế bào Một cụm các tế bào hình thành một mẫu (pattern) Mẫu được tái sử dụng tuỳ thuộc vào khoảng cách tái sử
