Nghiên cứu, đánh giá hiệu suất một số thuật toán quản trị tài nguyên trong mạng không dây

I H C QU C GIA HÀ N I
TR

NG

I H C CỌNG NGH

GIÁP TH H

NG

NGHIÊN C U, ÁNH GIÁ HI U SU T
M TS

THU T TOÁN QU N TR TĨI NGUYÊN
TRONG M NG KHỌNG DÂY

Ngành: Công ngh thông tin
Mã s : 1.01.10

LU N V N TH C S

Ng

ih

ng d n khoa h c: PGS.TS. V Duy L i

Hà N i - 2007

2

M cl c
DANH M C T

VI T T T ........................... Error! Bookmark not defined.

DANH M C HỊNH V ................................................................................. 4
M
CH

U ......................................................................................................... 4
NG 1 ậ T NG QUAN V M NG DI

NG T BĨO ................. 6

1.1 L ch s phát tri n c a m ng di đ ng ...................................................... 6
1.2 Ki n trúc m ng di đ ng t bƠo ................................................................ 9
1.3 V n đ gán kênh ......................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Các chi n l

c gán kênh .............. Error! Bookmark not defined.

1.3.2 Tiêu chí đánh giá các chi n l

c gán kênhError! Bookmark not defined.

CH
NG 2 - CHI N L
C M

N KÊNH Cị CH N L C
TRÊN C S CÂN B NG T I
NG ........ Error! Bookmark not defined.
2.1 Mô hình m ng vƠ các đ nh ngh a .............. Error! Bookmark not defined.
2.1.1 L

c đ phân ph i c đ nh s d ng mô hình m uError! Bookmark not defined.

2.1.2 Chi n l
2.1.3 L

c thuê kênh .................... Error! Bookmark not defined.

c đ phân ph i t n s có cân b ng t iError! Bookmark not defined.

2.2 Ki n trúc cơn b ng t i ................................ Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Phân l p t bào .............................. Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Phân l p các thuê bao bên trong m t t bàoError! Bookmark not defined.
2.3 Nguyên t c m
2.3.1 Chi n l

n kênh có ch n l c (LBSB)Error! Bookmark not defined.
c thuê kênh .................... Error! Bookmark not defined.

2.3.2 Nguyên t c c a chi n l
2.3.3 Chi n l

cm

n kênhError! Bookmark not defined.

c gán kênh ..................... Error! Bookmark not defined.

2.3.3.1 Phân l p yêu c u kênh ... Error! Bookmark not defined.
2.3.3.2 Thu t toán gán kênh ....... Error! Bookmark not defined.
2.4 ánh giá hi u su t ho t đ ng c a chi n l

cm

n kênhError! Bookmark not defined.

2.4.1 Mô hình Markov............................ Error! Bookmark not defined.
2.4.2 Tính toán thông s h ..................... Error! Bookmark not defined.
2.4.3 K t qu th c nghi m ..................... Error! Bookmark not defined.
CH
3.1
3.2 Ph

NG 3 - CHI N L

C GÁN KÊNH

NGError! Bookmark not defined.

t v n đ ................................................... Error! Bookmark not defined.
ng th c trao đ i thông tin di đ ng ... Error! Bookmark not defined.
3.2.1 C u trúc d li u............................. Error! Bookmark not defined.


3

3.2.2 Ki u thông đi p và hàm h th ng . Error! Bookmark not defined.
3.2.3 Các th t c và hàm c b n ........... Error! Bookmark not defined.
3.3 Thu t toán gán kênh thích nghi ................ Error! Bookmark not defined.
3.3.1 Mô t thu t toán ............................ Error! Bookmark not defined.
3.3.2 Tính đúng đ n c a thu t toán ...... Error! Bookmark not defined.
3.3.3 Hi u su t c a thu t toán ............... Error! Bookmark not defined.
K T LU N ....................................................... Error! Bookmark not defined.
TĨI LI U THAM KH O ........................................................................... 11


4

M

U

Ngày nay, các d ch v không dây đang là m t trong nh ng l nh v c
truy n thông phát tri n m nh m nh t. Trên th gi i c ng nh t i Vi t Nam,
s l ng các thi t b không dây s d ng và khai thác ngu n tài nguyên m ng
đang t ng lên nhanh chóng v s l ng, nh v y, đ ng hành v i s l ng,
các nhà nghiên c u đang tìm các thu t toán, gi i pháp t i u đ s d ng các
ngu n tài nguyên m ng hi u qu nh t.
Các l c đ phân ph i kênh đ ng đã và đang thu hút s quan tâm đ c
bi t c a các nhà nghiên c u, ví d nh các ph ng pháp đ khai thác hi u
qu nh t các ngu n tài nguyên s n có trong m ng không dây. S k t h p
r ng rãi c a các thành ph n nh : nhi m v kênh c đ nh, m n kênh, chia s
kênh, đi u hành kênh, phân b l i nhi m v c a kênh, và đi u ch nh đ ng
các tham s yêu c u. Các chính sách phân ph i kênh đ ng giúp chúng ta m
r ng các khái ni m nêu trên đ i v i các d ch v tích h p các h th ng không

dây trong t ng lai.
Nghiên c u các v n đ v phân ph i ngu n tài nguyên t i u trong
m ng không dây, trong đó có nh ng tài nguyên quý giá (b ng thông) ph i
đ c s d ng hi u qu nh t và chia s công b ng gi a nh ng ng i s d ng.
So v i m ng có dây truy n th ng, nh ng tính ch t đ c tr ng c a m ng
không dây đ t ra cho chúng ta nhi u th thách m i, và ng n ch n ng d ng
l p c a các ph ng pháp phân ph i ngu n tài nguyên s n có.
Nghiên c u s phân lo i các l
vi lu n v n này là tr l i 3 câu h i:

c đ phân ph i kênh đ ng trong ph m

o Khi nào có th ch p nh n m t tín hi u truy nh p?
o Kênh nào có nhi m v ti p nh n tín hi u truy nh p?
o Khi nào và làm cách nào đ phân l i nhi m v cho các kênh
m i đ i v i các tín hi u truy nh p đang t n t i?
Lu n v n chia làm ba ph n t

ng ng v i ba ch

ng:

 Ch ng 1- T ng quan v M ng di đ ng t bào: Ch ng này trình
bày l ch s phát tri n, gi i thi u m t s h th ng m ng di đ ng đã
và đang đ c ng d ng trên th gi i. Các khái ni m c b n v
m ng di đ ng t bào, trong đó quan tr ng nh t là khái ni m tái s


5

d ng t n s , gi i thi u m t s chi n l c c p phát kênh và các tiêu
chí đánh giá hi u su t c a các chi n l c c p phát.
 Ch ng 2 - Chi n l c m n kênh có ch n l c trên c s cân
b ng t i đ ng: Ch ng này trình bày các k thu t cân b ng t i đ n
gi n trong môi tr ng t bào di đ ng đ gi i quy t bài toán l u
l ng quá t i t i các đi m nóng. M c tiêu quan tr ng mà ta c n đ t
đ c là làm gi m b t nhu c u kênh t i các t bào nóng b ng cách
thuê kênh t các t bào l nh thích h p và có s phân ph i h p lý
c a các kênh đang ho t đ ng gi a m t s l ng thuê bao kh ng l .
L c đ phân ph i kênh c đ nh thu n l i đ kh i đ u, thu t toán
cân b ng t i ch y đ nh k ho c theo yêu c u ph c thu c vào tính
toán t i h th ng. M t mô hình chu i Markov cho m t t bào trong
h th ng và gi i pháp đ đánh giá ng ng nh m xác đ nh t bào là
nóng hay l nh. Các ví d mô ph ng đ đánh giá hi u qu các chi n
l c cho th y l c đ gán kênh làm gi m đáng k s l ng các
cu c g i b khoá trong h th ng quá t i v i m t l ng l n các t
bào nóng.
 Ch ng 3 - Chi n l c gán kênh đ ng. Các l c đ c p phát kênh
đ ng h tr t t h n d i các đi u ki n l u l ng quá t i dù th i
gian thu nh n kênh l n h n và ph i b sung các thông đi p đi u
khi n. Ch ng này trình bày m t l c đ gán kênh v i các tr m
chuy n m ch làm cân b ng l u l ng mà không ph thu c vào các
tr m khác trong vùng giao thoa, m c tiêu là làm gi m thi u t l
các cu c g i b r t, t i cùng m t th i đi m duy trì th i gian thu
kênh trung bình và đ ph c t p thông đi p là nh nh t.
Ngoài ba ch ng chính, b c c lu n v n còn có các ph n M đ u, K t
lu n và Tài li u tham kh o. Ph n k t lu n nêu tóm t t các v n đ đã trình
bày trong các ch ng, đánh giá các k t qu đã đ t đ c và ch a đ t đ c,
đ ng th i đ a ra các đ nh h ng nghiên c u, phát tri n ti p theo.
M c dù đã r t c g ng, song do khuôn kh th i gian có h n nên lu n

v n còn nh ng h n ch nh t đ nh, tác gi r t mong nh n đ c nh ng góp ý
đ v n đ nghiên c u này ngày càng đ c hoàn thi n h n.


6

CH

NG 1 ậ T NG QUAN V M NG DI

NG T BĨO

1.1 L ch s phát tri n c a m ng di đ ng
N m 1974, FCC đã c p m t d i b ng 40 MHz trong d i t n 800-900
MHz cho l nh v c truy n thông t bào. Chu n AMPS (Advance Mobile
Phone Systems) c ng đ c gi i thi u vào n m 1979 và đ c FCC công
nh n, l nh v c ho t đ ng chia làm 2 d i: d i A và d i B. Truy n thông t bào
là song công và b ng t n chia làm 2 đ ng truy n: 25MHz đ c c p cho
đ ng đ nh h ng ho c đ ng downlink, đây là đ ng truy n t máy phát
tín hi u ban đ u t i tr m thu tín hi u đ u cu i.
ng truy n th hai ch y u
là đ ng uplink ho c đ ng đ i chi u theo chi u ng c l i v i đ ng th
nh t. Hai đ ng truy n này chia nhau d i b ng an toàn 45MHz đ tránh hi n
t ng giao thoa gi a các kênh phát và thu. Hình 1.1 mô t gi i h n d i ph
do AMPS qu n lý.

Hình 1.1: Phân b d i t bào
M i d i A và B chi m gi 12.5MHz, trong đó 10MHz là ph không
m r ng (NES) và 2.5MHz là ph m r ng ES. M i d i 12.5MHz này đ c
chia thành các kênh 30kHz, t o thành t ng s 416 kênh/d i. 21 kênh trong s

đó đ c s d ng cho các th t c riêng nh là: phân ph i kênh, xác đ nh v
trí, g i thông đi p,ầ chúng đ c g i là các kênh đi u khi n. Các kênh còn
l i đ c dùng đ giao ti p và g i là kênh h i tho i.
Trong AMPS, m i kênh t n t ng đ ng v i m t sóng mang t n s
(sóng t n) và m i tr m di đ ng đ c phân ph i m t kênh. Do đó, AMPS ch
là FDMA (truy nh p đa t n) và là 1 h th ng t bào t ng t .
H th ng t bào đ c s d ng ph bi n Châu âu là TACS (H th ng
vi n thông truy nh p t ng) và NMT (hãng đi n tho i di đ ng Nordic). TACS
đ c gi i thi u Anh vàp n m 1982, h th ng này ho t đ ng v i d i
900MHz, m i đ ng truy n có d i b ng 25MHz và b ng thông kênh là


7

25KHz. T i R p, Tây Ban Nha đã xây d ng h th ng NMT ho t đ ng v i
d i 450MHz và 900MHz, t ng b ng thông là 10MHz v i b ng thông kênh là
25KHz và 200 kênh. C 2 h th ng này đ u có kh n ng chuy n giao và
roaming. Tuy nhiên, các m ng t bào các qu c gia không t ng thích v i
nhau vì m i qu c gia đ c phân ph i 1 d i t n khác nhau. Trong t ng lai,
h n ch này c a d ch v m ng t bào s đ c kh c ph c và ph i xây d ng
đ c m t h th ng m ng t bào đa qu c gia.
T i Nh t, t p đoàn NTT đã phát tri n h th ng d i 800MHz t ng
t nh AMPS. Tokyo đã xây d ng đ c h th ng đi n tho i di đ ng đ u tiên
vào n m 1979. N m 1985, h th ng này đã ho t đ ng d i 30MHz v i 600
kênh và b ng thông kênh là 25kHz.
H th ng vi n thông di đ ng th h th 2, là h th ng t bào s phát
tri n m nh m vào nh ng n m 1990. T i B c M , các chu n m đ c gi i
thi u cho các h th ng t bào s có s d ng cùng m t d i t n nh AMPS.
Nh ng chu n này đ c tích h p thêm các k thu t đa truy nh p và t o thành
FDMA.

NA-TDMA ho c D-AMPS là các chu n IS-54 đã đ c tích h p k
thu t TDMA, trong đó s d ng b chia th i gian có th chia s cho 6 thuê
bao di đ ng (th c t ch có 3 thuê bao)
N m 1994, chu n IS-95 gi i thi u k thu t CDMA. K thu t này d a
trên s đi u bi n tr i ph cho phép nhi u thuê bao có th truy nh p t i cùng
m t d i b ng. M i thuê bao di đ ng đ c phân ph i m t mã tr c giao duy
nh t g i là mã Walsh. D i b ng 12.5MHz đ c chia thành 10 d i b ng
CDMA, m i d i 1.25MHz. M i d i CDMA h tr 64 mã Walsh. M i d i
CDMA có th cung c p g p 8 l n so v i kh n ng c a h th ng t ng t
[Gar00].
T i Châu Âu, h th ng vi n thông di đ ng toàn c u GSM, chu n h
th ng đi n tho i di đ ng s Pan-European do Vi n tiêu chu n vi n thông
Châu Âu (ETSI) xác l p, đ c gi i thi u vào n m 1982. ây là m t h
th ng TDMA và ho t đ ng d i 890 - 915 MHz v i đ ng uplink và 935 960 MHz v i đ ng downlink. B ng thông t n s sóng mang là 200MHz và
có th chia s cho 8 thuê bao di đ ng có s d ng b chia th i gian.


8

H th ng t bào s cá nhân (PDC: Personal Digital Cellular) là m t
chu n h th ng t bào s c a Nh t, đây là h th ng TDMA ho t đ ng d i
800MHz và 1.5GHz. Nhìn chung, h th ng PDC r t gi ng v i h th ng NATDMA, 3 thuê bao di đ ng có th chia s cùng m t t n s sóng mang. V i
gi i h n d i 800MHz, b ng thông c a đ ng uplink n m gi a 810 và
826MHz và đ ng downlink n m gi a 940 – 956MHz.
Thành công c a công ngh t bào th h th 2 là giá thành gi m r t
nhi u, d n đ n s bão hoà v kh n ng và d ch v . Không ch các h th ng
t bào phát tri n mà khách hàng còn đ c s d ng các d ch v thu phát đa
ng d ng, h tr âm thanh, d li u và đa ph ng ti n.
h tr cho các nhu
c u cá nhân c a các thuê bao di đ ng, h th ng v tinh đã b t đ u kh i đ ng.

N m 1989, m ng vi n thông cá nhân (PCN: Personal Communication
Network) đ a vào ho t đ ng d i 1.8GHz. PCN là phiên b n c a GSM, đó
là DCS-1800 (Digital Cellular System 1800) và ngày nay g i là GSM-1800.
N m 1991, FCC cung c p 120MHz quang ph , chia thành 7 d i b ng và g i
là d ch v vi n thông cá nhân b ng r ng (PCS) v i d i b ng 1.85GHz và
d ch v vi n thông cá nhân b ng h p v i d i b ng 900MHz.
S phát tri n m nh m c a h th ng vi n thông di đ ng ph c v c ng
đ ng và th ng m i càng thúc đ y nhanh vi c tích h p các m ng di đ ng và
c đ nh. Ngày nay, m ng di đ ng hoàn toàn có kh n ng đáp ng các d ch
v đa d ng c v ch t l ng và b o m t. H th ng di đ ng ph i có tính m m
d o đ tích h p các lo i h th ng vi n thông khác đang s d ng hi n nay
nh h th ng t bào chung và riêng, các h th ng sóng vô tuy n và v tinh.
Nh ng yêu c u này đang v t quá kh n ng công ngh c a h th ng vi n
thông di đ ng th h th 2. Nh ng đòi h i này trong công ngh thành ph n,
qu n tr m ng và k thu t d ch v làm cho s ra đ i c a h th ng vi n thông
di đ ng th h th 3 là t t y u. M c đích chính c a h th ng này là cung c p
các d ch v vi n thông t b t k thuê bao nào t i b t k thuê bao khác, t i
b t k đ a đi m nào, vào b t k th i đi m nào, qua b t k môi tr ng nào,
b ng cách s d ng các thi t b đ u cu i g n nh v i ch t l ng d ch v đ m
b o và b o m t an toàn.
Hai h th ng đang đ c phát tri n đó là: UMTS và FPLMTS, đ c
g i chung là h th ng vi n thông di đ ng toàn c u, ho t đ ng v i d i b ng
2000 MHz (IMT-2000: International Mobile Telecommunications). S phát


9

tri n v t tr i c a 2 h th ng này s là b phóng trong su t th p k đ u c a
nh ng n m 2000.
UMTS s xu t hi n trong cu c s ng c a chúng ta nh

nhà, c quan,
trên ôtô, tàu ho , máy bay hay đi b . UMTS tích h p t t c các d ch v trong
m t d ch v b i các h th ng vi n thông di đ ng khác nhau, ví d nh : đi n
tho i di đ ng, đi n tho i không dây, vô tuy n công c ng, vô tuy n v tinh,ầ
Nó cho phép ng i s d ng di chuy n trong su t quá trình k t n i gi a các
m ng vi n thông khác nhau. UMTS cung c p các d ch v b ng r ng, t c là
kh n ng truy n âm thanh, v n b n, d li u và hình nh qua m t k t n i.
FPLMTS bao g m các tính n ng nh UMTS, tuy nhiên nó còn có kh
n ng phân b t n s đ u trên toàn c u. FPLMTS đ nh rõ 4 ranh gi i trong
không gian nh m phân chia nhu c u khác nhau c a các vùng dân c đông
đúc ho c th a th t.
M t trong nh ng yêu c u chính c a UMTS/FPLMTS là ph i có hi u
su t quang ph cao, và đ đ t đ c yêu c u này thì c n ph i có c ch qu n
lý t n s linh ho t, m m d o đ i v i các ngu n tài nguyên vô tuy n. Qu n lý
t n s hi n v n đang là đ tài nóng h i t cách đây 20 n m và các gi i pháp
đ xu t cho đ n nay v n đang đ c nghiên c u, c i ti n đ các h th ng vi n
thông đ t hi u su t cao nh t.
1.2 Ki n trúc m ng di đ ng t bƠo
Khái ni m t bào xu t phát t các h th ng c a Bell n m trong d ch v
đi n tho i di đ ng tiên ti n, là m t ki n trúc m ng đ c t h p t các t bào
hình l c l ng. Các t bào đ i di n cho các vùng đ a lý. Bên trong các t bào,
ng i s d ng đ c g i là các tr m di đ ng có kh n ng thi t l p ho c nh n
các cu c liên l c trong khi di chuy n bên trong m ng t bào. M i t bào có
m t tr m đi u khi n cung c p các kênh t n s cho các tr m di đ ng. M i
tr m đi u khi n trong d ch v đi n tho i di đ ng tiên ti n (AMPS) coi là m t
t bào. M i t bào đ c liên k t v i trung tâm chuy n m ch di đ ng (MSC)
còn đ c g i là c v đi n tho i di đ ng (MTSO) có vai trò đi u khi n các
cu c g i và ho t đ ng nh là m t c ng đ k t n i v i m ng khác. Khi ng i
s d ng di chuy n (ví d tr m di đ ng đang s d ng m t kênh t n s ) t i
g n biên c a t bào, nó c n ph i thay đ i kênh t n s hi n th i sang t n s

khác c a t bào lân c n. Quá trình này g i là chuy n vùng. Ki n trúc c a h


10

th ng di đ ng tiên ti n AMPS đ c minh ho nh hình 1. M c tiêu c a
AMPS là cung c p d ch v đi n tho i di đ ng có kh n ng: (a) Dung l ng
thuê bao l n; (b) S d ng hi u qu ph ; (c) m b o tính t ng thích, ti n
l i, d thích ng v i m t đ l u l ng cao; ...

Hình 1.2: Ki n trúc m ng di đ ng t bào
có th t o ra các kh n ng trên, ng i ta s d ng các đ c tr ng c a
h th ng t bào là vi c tái s d ng t n s và phân chia t bào.
Tái s d ng t n s là vi c s d
khác nhau mà kho ng cách v a đ đ
mang gây ra không nh h ng đ n ch
vi c c u hình l i m t t bào thành các t

ng cùng t n s mang nh ng vùng
nhi u do vi c s d ng cùng t n s
t l ng liên l c. Phân chia t bào là
bào nh h n.

Tái s d ng t n s
Phân ph i các kênh t n s trong m ng t bào ph thu c vào r t nhi u
tham s , ch ng h n nh ki n trúc hình h c c a t bào, các đ c tính truy n tín
hi u và nhi u tín hi u. Gán các kênh t n s là vi c c p phát t nh kênh t n s
cho các thuê bao trong t bào. Cùng t p h p t n s này đ c s d ng l i
trong t bào khác v i kho ng cách đ đ cho phép s d ng các kênh t n s
này v i nhi u tín hi u gây ra là ch p nh n đ c. Các t bào mà s d ng cùng

t p h p kênh t n s đ c g i là các t bào đ ng kênh và kho ng cách gi a
chúng g i là kho ng cách tái s d ng đ ng kênh. T ng s t n s mang c p
phát cho m ng đ c phân chia thành các t p h p và m i t p đ c gán cho
m t t bào bên trong m t c m các t bào. M t c m các t bào hình thành
m t m u (pattern). M u đ c tái s d ng tu thu c vào kho ng cách tái s


11

TĨI LI U THAM KH O
[1] Scott Jordan, Resource Allocation in Wireless Networks, Department of
Electrical Engineering & Computer Science, Northwestern University,
3/1999.
[2] D. C. Cox and D. O. Reudink, Dynamic channel assignment in twodimensional large-scale mobile radio system, Bell System Technical
Journal, 9/1972 .
[3] L. G. Anderson, A simulation study of some dynamic channel
assignment algorithms in a high capacity mobile telecommunications
system, IEEE Transactions on vehicular Technology, 10/1982.
[4] S. M. Elnoubi, R. Singh, and S. C. Gupta, A new frequency channel
assignment algorithm in high capacity mobile telecommunications
system, IEEE Transactions on vehicular Technology, 8/1982.
[5] D. Everitt and D. Manfield, Performance analysis of cellular mobile
communication systems with dynamic channel assignment, IEEE
Journal on Selected Areas in Communications, 10/1989.
[6] P. A. Raymond, Performance analysis of cellular Networks, IEEE
Transactions on communications, 12/1991.
[7] L. Cimini, G. Foschini, and C. L. I, Call blocking performance of
distributed algorithms for dynamic channel allocation in microcells, In
conference record of the International conference on Communications
(ICC), IEEE, 1992.

[8] D. D. Dimitrijevic and J. Vucetic, Design and Performance analysis of
the algorithms for channel allocation in cellular networks, IEEE
Transactions on vehicular Technology, 11/1993.
[Gar00] Vijay K. Garg. IS-95 CDMA and CDMA 2000, Cellular/PCS
Systems Implementation
[Ekl86] Berth Eklundl, Channel Utilisation and Blocking Probability in a
Cellular Mobile Telephone System with Directed Retry, IEEE
Transactions on Communications, 4/1986


12

[KE89] Johan Karlsson and Berth Eklundh, A Cellular Mobile Telephone
System with load sharing – an enhancement of directed retry. IEEE
Transactions and Communications, 5/1989
[TJ91]
Sirin Tekinay and Bijan Jabbari, Handover and Channel
Assignment in Mobile Cellular Networks. IEEE Communications
Magazine, 11/1991.
[ZY89] Ming Zhang and Tak Shing P. Yum., Compasisons of channel
Assignment Strategies in Cellular Mobile Telephone Systems, IEEE
Transactions on vehicular Technology, 11/1989
[DSJ97] Sajal K.Das, Sanjoy K.Sen and Rajeev Jayaram, A dynamic load
balancing strategy for channel assignment using selective borrowing in
cellular mobile environment. Wireless Networks, 1997
[DSJA97]
K.Das, Sanjoy K.Sen and Rajeev Jayaram and Prathima
Agrawal, A distributed Load balancing Algorithm for the hot cell
problem in a cellular mobile networks. 8/1997