Phân tích hiệu năng của chuyển giao trong mạng các Femtocell bằng mô hình MCPFQN

Bài báo đã thể hiện được các đóng góp chính như sau: Xây dựng được các mô hình hàng đợi trong mạng Femtocell với các loại cuộc gọi khác nhau, các chế độ làm việc khác nhau cho mỗi[r]

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG

CÁC FEMTOCELL BẰNG MÔ HÌNH MCPFQN

Đỗ Phương Nhung1*, Dư Đình Viên2, Hồ Khánh Lâm3

Tóm tắt: Chuyển giao trong các mạng thông tin di động thế hệ mới từ 4G luôn là

một trong những hoạt động quan trọng đảm bảo bảo chất lượng các dịch vụ yêu cầu băng thông và tốc độ cao Tính không đồng nhất của nhiều công nghệ mạng truyền thông chồng lấn nhau đòi hỏi cơ chế chuyển giao cho thiết bị đầu cuối di động với tốc độ cao vẫn phải thực hiện được các cuộc gọi liền mạch các dịch vụ Bài báo này

đề xuất một giải pháp phân tích chuyển giao sử dụng mạng hàng đợi đóng nhiều lớp (MCPFQN) với các kịch bản khác nhau về số lượng cuộc gọi đến so với dung lượng kênh cũng như các chế độ mạng hàng đợi khác nhau: FCFS-PS hoặc chỉ là FCFS Kết quả cho thấy rằng hiệu năng hệ thống khi sử dụng FCFS-PS cao hơn so với khi

sử dụng FCFS và khi tất cả các nút đều sử dụng chế độ hàng đợi là FCFS, hiệu năng tốt nhất ở kịch bản M/M/30/30 và kém nhất là kịch bản M/M/30/15

Từ khóa: Phân tích hiệu năng, Chuyển giao, Mạng Femtocell, Mạng hàng đợi đóng (MCPFQN)

1 MỞ ĐẦU

Chuyển giao là quá trình trong đó một giao dịch dữ liệu hoặc cuộc gọi hiện hành được chuyển từ một giao tiếp đến một giao tiếp khác mà không để ý tới yếu

tố đầu cuối là di động Các giao tiếp được liên kết qua mạng lõi MIPv6 Các cơ chế chuyển giao trong mạng di động 4G kéo theo giải quyết các vấn đề như: chuyển đổi địa chỉ IP, cường độ của tín hiệu thu, trễ chuyển giao, loại dịch vụ sử dụng, chi phí truyền thông, v.v… Khi tần xuất chuyển giao tăng lên thì tải tăng (tăng các gói điều khiển), mất gói và trễ chuyển giao tăng Chuyển giao gồm 3 giai đoạn [1]: phát hiện mạng, quyết định chuyển giao và thực hiện chuyển giao Để giúp cho việc đưa ra quyết định hiệu quả, chúng tôi tiến hành nghiên cứu và đánh giá lưu lượng của các tế bào mục tiêu Mô hình mạng Femtocell đã được đề xuất để hỗ trợ việc truyền thông không dây hiệu quả cao, các tác giả đã đánh giá mức ngưỡng cường độ tín hiệu thu được để thực hiện cân bằng tải đối với trạm BSS Femtocell [2] Việc sử dụng mô hình Markov Chain để khảo sát, phân tích trong mạng cũng

có nhiều kết quả tốt, như trong [3], các tác giả đã đề xuất mô hình khảo sát phổ và

sử dụng năng lượng hiệu quả Trong [4], các tác giả cũng thiết kế mô hình mô phỏng dùng Markov ẩn với mô hình đa trạng thái để tính toán Các công bố nêu trên cùng với những nghiên cứu của chúng tôi thấy rằng, việc sử dụng mạng hàng đợi để giải quyết các bài toán về truyền thông là rất phù hợp Đối tượng của lý thuyết hàng đợi có thể được mô tả như sau: một trung tâm dịch vụ và một số lượng khách hàng đến trung tâm để sử dụng dịch vụ, nhưng thực tế, tại một thời điểm, trung tâm dịch vụ chỉ phục vụ một số giới hạn khách hàng Khi có thêm khách hàng đến trung tâm thì trung tâm không thể đáp ứng được, như vậy, khách hàng mới phải hàng đợi chờ đợi cho đến khi trung tâm dịch vụ có chỗ trống để phục vụ Mục đích của bài báo là xây dựng mô hình hàng đợi đóng trong mạng Macrocell/ Femtocell nhằm đánh giá mối quan hệ giữa khả năng phục vụ các cuộc gọi mới, các cuộc gọi chuyển giao trong cùng Macrocell và giữa các Macrocell lân cận khi mà số lượng cuộc gọi đến và số lượng kênh phục vụ thay đổi, từ đó, sẽ chỉ

ra được tế bào nào sẽ đáp ứng được nhu cầu của người dùng, phục vụ việc chọn mạng mục tiêu để chuyển giao một cách hiệu quả nhất Bài báo có cấu trúc như sau: mục II mô tả mô hình hệ thống được đề xuất để khảo sát hành vi thực hiện cuộc gọi chuyển giao giữa 2 cấp Macrocell khác nhau và các phân tích theo lý thuyết Markov về mô hình hệ thống nói trên; Mục III trình bày trình bày việc mô phỏng hệ thống dùng phần mềm MVA và phân tích kết quả đạt được; Mục IV là kết luận nêu lên các đóng góp của bài báo

2 SỬ DỤNG MẠNG HÀNG ĐỢI NHIỀU LỚP PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG

CHUYỂN GIAO 2.1 Mô hình hệ thống

Xét một hệ thống mạng

gồm có 2 Macrocell, trong mỗi

Macrocell có 2 Femtocell Giả

sử các Femtocell sử dụng

chung tần số với Macrocell

nên trong một Femtocell sẽ có

3 lưu lượng: các cuộc gọi mới

(trong cùng một Femtocell),

các cuộc gọi chuyển giao đến

từ Femtocell trong cùng một

Macrocell và các cuộc gọi chuyển giao đến từ Femtocell thuộc Macrocell lân cận)

Để phân tích, hệ thống chuyển giao trên có thể được mô hình bởi mạng BCMP đóng với nhiều lớp cuộc gọi [5], các chính sách hàng đợi khác nhau và thời gian

phục vụ phân bố mũ chung Sở dĩ 2 Femtocell (i và j, k và l) của các Macrocell A

và B khác nhau về loại hàng đợi vì nội dung của bài báo này cần phân tích hành vi

của cell có xử lý các cuộc gọi chuyển giao dọc và trong trường hợp đó chúng cần

có chia sẻ kênh

Giả thiết, hệ thống là mạng hàng đợi đóng bởi vì ta cho rằng số cuộc gọi mà các Femtocell có thể xử lý trong một thời điểm là hữu hạn Mô hình mạng đóng được

đề xuất cho ở hình 1 Các ký hiệu được quy ước như bảng 1, trong đó, mỗi loại cuộc gọi được đặc trưng bởi 3 thông số là số lượng cuộc gọi n, xác suất và tốc

độ trung bình  tương ứng

Bảng 1 Các ký hiệu đối với mỗi loại cuộc gọi

Femtocell Ai Femtocell Aj Femtocell Bk Femtocell Bl

Kiểu hàng đợi M/M/1-FCFS M/G/1-PS M/G/1 –PS

M/M/1-FCFS Cuộc gọi mới n Aii, Aii, Aii n Ajj, Ajj, Ajj n Bkk, Bkk, Bkk n Bll, Bll, Bll Cuộc gọi chuyển giao trong cùng

Macrocell n Aij,Aij,Aij n Aji,Aji,Aji n Bkl,Bkl,Bkl n Blk,Blk,Blk Cuộc gọi chuyển giao đến

,

Aj Bk



,

Bk Aj

Trung bình thời gian phục vụ Ai  Aj Bk  Bl

Trung bình tốc độ đến cell Aii  Ajj Bkk  Bll

Hình 1 Mạng hàng đợi đóng nhiều lớp cuộc gọi

cho hệ thống chuyển giao trong mạng di động 4G

2.2 Phân tích mô hình

Trước hết, ta nhóm các cuộc gọi theo các lớp cuộc gọi, r r(  1, , )R Trong mỗi lớp các cuộc gọi có thời gian phục vụ trung bình và các suất định tuyến giống nhau Ở trên, ta đã cho rằng các Femtocell có thể thực hiện 3 loại cuộc gọi khác

nhau, do vậy, ta nhóm chúng thành 3 lớp (R=3) cuộc gọi: lớp các cuộc gọi mới, lớp

các cuộc gọi chuyển giao trong cùng Femtocell và lớp các cuộc gọi chuyển giao sang Femtocell thuộc Macrocell lân cận Cho rằng các cuộc gọi khi di chuyển qua các Femtocell (trong cùng một Macrocell và giữa các Macrocell khác nhau) không

thay đổi lớp cuộc gọi Như vậy, trên mạng cho ở hình 2 ta chọn Femtocell A j và

Femtocell B k của hai Macrocell A và B để phân tích, vì chúng đều xử lý 3 loại cuộc

gọi thuộc 3 lớp khác nhau Tổng các xác suất định tuyến các cuộc gọi là:

1

Tổng số các cuộc gọi ở Femtocell Aj: N Ajn Ajjn Ajin Bk Aj, n Aj Bk, (1)

Tốc độ đến Femtocell j lớp mạng s (macrocell A) của các cuộc gọi chuyển giao

từ Femtocell i lớp mạng r (macrocell A) làir js, Khi đó, tổng tốc độ của các cuộc

gọi chuyển giao dọc đến Femtocell j lớp s là: , ,

1 1

( )( )

r

N R

 

 (2)

Femtocell j có tổng số cuộc gọi là N js, ta có: N jsN vhjN hhjN nwj (3)

1,

s

N

 

  là tổng số cuộc gọi chuyển giao ngang từ một Femtocell k k(  1, ,N s)đến Femtocell j j(  1, ,N s)và kj; N nwjn jss là tổng số cuộc gọi

mới trong cùng Femtocell j của lớp mạng s

s

N R

Tổng tốc độ của tất cả các cuộc gọi đến Femtocell j của lớp mạng s :

s

N R

Trong đó,ks js, , ks js, là tốc độ và xác suất đến Femtocell j lớp mạng s của các cuộc

gọi chuyển giao, jss, jss là tốc độ và xác suất đến Femtocell j lớp mạng s của các cuộc gọi mới trong cùng một Femtocell j Số lượng trung bình các cuộc gọi đến Femtocell j (hay tỷ số đến, tốc độ tương đối) của một cuộc gọi được xác định là:

s

N R

Trong mô hình mạng hàng đợi nhiều lớp, khi có cuộc gọi chuyển giao hay cuộc gọi mới, thì cuộc gọi không thay đổi lớp lớp mạng

Để phân tích hiệu năng của chuyển giao ta phân tích mô hình hàng đợi đóng nhiều lớp cuộc gọi được đề xuất ở hình 2, với các thông số hiệu năng sau đây đối

với Femtocell j của mạng lớp s, nơi nhận các cuộc gọi chuyển giao:

1) Tổng mức độ sử dụng của Femtocell j của lớp mạng s đồng thời tất các các cuộc

gọi của các lớp khác nhau:

1

( ) 1





Trong đó, C j là số kênh của cell j; C js là số kênh của cell jở lớp s

2) Số lượng trung bình các cuộc gọi ở Femtocell j lớp mạng s là:

s

N R

3) Đáp ứng trung bình của Femtocell j lớp mạng s đối với các các cuộc gọi đến Femtocell j tính theo luật Little:

js

js

R



3 MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 3.1 Giới thiệu mô phỏng

Hình 2 Mô hình mô phỏng dạng mạng hàng đợi đóng

cho mạng Macrocell 2 mức

Mạng gồm 3 lớp công việc: job class 1 là các cuộc gọi mới; job class 2 là các cuộc gọi chuyển giao trong cùng Macrocell; job class 3 là các cuộc gọi chuyển giao đến từ Macrocell lân cận Chọn chế độ làm việc cho mô hình Erlang M/M/n1/n2(với n1là dung lượng của hệ thống tức là số lượng kênh; n2là số lượng

cuộc gọi đến) của Femtocell Ai và Aj là FCFS và chế độ làm việc cho Femtocell

Bk và Bl là PS; Chọn số lượng mẫu khảo sát là 2000000; số bước khảo sát N=10;

Chọn các tốc độ đến cho: Cuộc gọi mới (class 1) được phân bố mũ với giá trị trung bình là 0,1sec; Cuộc gọi chuyển giao giữa các Femtocell của cùng một Macrocell (class2) được phân bố mũ với giá trị trung bình là 0,2sec; Cuộc gọi chuyển giao đến từ Macrocell lân cận (class3) được phân bố mũ với giá trị trung bình là 2sec Phân bố thời gian phục vụ không phụ thuộc tải Chúng ta thực hiện tính theo thuật toán phân tích giá trị trung bình MVA [6] Các số đo hiệu năng của hệ thống Erlang M/M/n1/n2là số lượng các cuộc gọi trung bìnhE N[ i m], đáp ứng trung bình [ i m]

E R , mức độ sử dụng đối với các cuộc gọi

3.2 Các kịch bản, kết quả mô phỏng và thảo luận

3.2.1 Kịch bản 1: Chọn thông số cho mô hình Erlang M/M/ n1/n2với n1n2, cụ thể

n n  (kết quả là hình 3)

Hình 3 Kết quả mô phỏng theo kịch bản 1

Hình 4 So sánh số lượng cuộc gọi đến (a);

Thời gian đáp ứng (b); Mức độ sử dụng (c)

Từ hình 3, ta thấy, khi tăng

dần số lượng n1n2thì hệ thống

đáp ứng tốt, các thông số hiệu

năng tăng đều, không có biến

động, thể hiện chất lượng đảm

bảo Tuy nhiên, trong thực tế,

không phải lúc nào số lượng

băng thông sẵn có cũng đủ đáp

ứng ngay cho mọi cuộc gọi, do

vậy, khi n1n2thì hệ thống sẽ

xảy ra các hiện tượng chia sẻ

hoặc tranh chấp tài nguyên Vì

vậy, chúng tôi tiến hành đánh

giá đối với kịch bản 2 (n1n2)

và kịch bản 3 (n1n2) Các

thông số hiệu năng đạt được

trong cả 3 kịch bản được tổng

hợp tại bảng 2, sau đó, tiến hành

so sánh 3 kịch bản với nhau,

được kết quả như hình 4 Qua

đó, chúng tôi có nhận xét đối với kịch bản 1, số lượng cuộc gọi được phục vụ và

Bảng 2 Tổng hợp kết quả theo 3 kịch bản

Bảng 3 Các thông số hiệu năng cuộc gọi

chuyển giao đối với nút Aj dùng chế độ FCFS

thời gian đáp ứng tốt nhất (hình 4a và 4b), mức độ sử dụng tương đương kịch bản

3 (hình 4c)

3.2.2 Kịch bản 2: Chọn n1n2(với n 1 15 và n 2 30) cho thấy cả 3 thông số hiệu năng khảo sát là thấp nhất (hình 4a, 4b, 4c) Đối với các giá trị khác thỏa mãn

n n cũng cho kết quả tương tự

3.2.3 Kịch bản 3: Chọn n1n2 (với n 1 30 và n 2 15) chúng tôi thấy rằng mức độ

sử dụng cao nhất (hình 4c); số lượng cuộc gọi được phục vụ đạt trung bình (hình 4a) và thời gian đáp ứng

không ổn định cho từng nút

(hình 4b) Đối với các giá trị

khác thỏa mãn n1n2cũng

cho kết quả tương tự

Xét trường hợp khi tất cả

các nút đều có chế độ hàng

đợi là FCFS thì cho thầy kết quả tại nút Aj như bảng 3 (kết quả tương tự đối với nút Bk) Khi tiến hành so sánh trên hai mô hình hệ thống kiểu 1 có dùng hai chế độ

là FCFS – PS (bảng 2) và hệ thống kiểu 2 chỉ dùng 1 chế độ FCFS (bảng 3) ta có kết quả là bảng 4 Qua đó, ta thấy các thông số hiệu năng khi kết hợp cả hai chế độ FCFS và PS tốt hơn so với khi dùng 1 chế độ là FCFS

4 KẾT LUẬN

Bài báo đã thể hiện được các đóng góp chính như sau: Xây dựng được các mô hình hàng đợi trong mạng Femtocell với các loại cuộc gọi khác nhau, các chế độ làm việc khác nhau cho mỗi lớp công việc khảo sát; Tiến hành khảo sát trên hệ thống M/M/n1/n2 với các mô hình hệ thống trong 3 kịch bản với các tham số n1 và

n2 khác nhau phản ánh tính thực tế của nghiên cứu, từ đó cho thấy hiệu năng của mỗi kịch bản có những khác biệt rõ rệt để từ đó xây dựng mô hình tối ưu cho hệ thống; Mở rộng phân tích và đánh giá khi tất cả các nút đều có chế độ hàng đợi là FCFS cho thấy các thông số hiệu năng tốt nhất ở kịch bản M/M/30/30 và kém nhất

là kịch bản M/M/30/15) Khi tiến hành so sánh trên hai mô hình hệ thống kiểu 1 có dùng hai chế độ là FCFS – PS và hệ thống kiểu 2 thì các thông số hiệu năng ở hệ thống kiểu 1 (FCFS-PS) cho độ ổn định cao hơn hệ thống kiểu 2 (FCFS)

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp của mô hình hàng đợi của hệ thống chuyển giao giữa các macrocell (4G) và femtocell được đề xuất trong bài báo này

Có thể phân tích quá trình chuyển giao thực tế hơn nếu thay đổi dung lượng băng thông, đáp ứng trung bình của các nút macrocell và femtocell, thay đổi tốc độ di động của thiết bị đầu cuối thông minh, một số thông số chất lượng dịch vụ theo cơ chế chuyển giao như: tỷ số rớt cuộc gọi, bảo an toàn dịch vụ, mức ưu tiên,…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Prakash.S, C.B.Akki, Kashyap Dhruve, “Handoff management architecture for 4G networks over MIPv6” IJCSNS International Journal of Computer Science

and Network Security, Vol.10 (no.2) (2010), pp 267-274

[2] P Chowdhury, A Kundu, I S Misra, S K Sanyal, “Load balancing with reduced unnecessary handoff in energy efficient Macro/Femtocell based BNA

Bảng 4 So sánh hiệu năng cuộc gọi chuyển giao

đối với nút Aj trong hệ thống kiểu 1 và kiểu 2

networks”, International Journal of Wireless & Mobile Networks (IJWMN)

Vol 4 (3), (2012), pp 105-118

[3] X.Ge, T.Han, Y.Zhang, G.Mao, Cg-X Wang, J Zhang, B Yang, and S Pan,

“Spectrum and Energy Efficiency Evaluation of Two-Tier Femtocell networks With Partially Open Channels”, IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR

TECHNOLOGY, Vol 63(3) (2014), pp 1306-1319

[4] Christopher H Jackson, “Multi-State Models for Panel Data: The msm Package for R”, Journal of Statistical Software, Vol 38(8) (2011), pp 1-28 [5] Hồ Khánh Lâm, “Mạng hàng đợi và chuỗi: Lý thuyết và ứng dụng”, NXB

Khoa học và kỹ thuật, 2015

[6] http://jmt.sourceforge.net/, 8/2016

ABSTRACT

PERFORMANCE ANALYSIS OF HANDOVER IN FEMTOCELL NETWORK

WITH MCFPQN

Handover of next generation wireless 4G networks is one of the important characteristics that ensure quality of high-speed and broadband service requirements Heterogenous of multiple communications technologies and overlapping networks require a delivery mechanism for mobile terminals to maintain a high-speed and to achieve the seamless call services This paper proposes a transfer analysis solution using Multiclass Closed Product-Form Queuing Network (MCPFQN) with different scenarios of incomming calls in comparision with channel capacity as well as with different queues:

FCFS-PS or FCFS only The results show that the performance of systems using FCFS-PS is better than FCFS; Moreover, when all nodes using FCFS the perfomance of systems is the best in the case of M/M/30/30 and the worst in the case of M/M/30/15

Keywords: Handover, Femtocell networks, Multiclass Closed Product-Form Queueing Network (MCPFQN),

Performance analysis

Nhận bài ngày 20 tháng 7 năm 2016 Hoàn thiện ngày 12 tháng 12 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2016 Địa chỉ: 1 Khoa Kỹ thuật Viễn thông, Trường Cao đẳng Điện tử - Điện lạnh Hà Nội;

2 Trung tâm Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội;

3

Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên;

*Email: dophuongnhung@gmail.com