Hiệu Suất Các Thuật Toán Gán Kênh

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.

Các thuật toán gán kênh được thực hiện một cách tập trung hoặc phân tán. Trong phương thức tập trung, kênh rỗi được cấp phát bởi thực thể điều khiển trung tâm, trong khi ở phương thức phân tán, kênh rỗi được gán bởi trạm điều khiển của tế bào – trong trường hợp này, thông tin về kênh rỗi ở các tế bào lân cận được lưu ở trạm điều khiển cục bộ, và được cập nhật bằng việc trao đổi các bản tin điều khiển giữa các trạm điều khiển cục bộ - hoặc kênh rỗi được lựa chọn tự động bởi trạm di động – bằng việc đo tín hiệu điện thu được mà không cần sự can thiệp của thực thể điều khiển trung tâm.

Một số thuật toán gán kênh sử dụng các chiến lược gán kênh khác nhau, có những đặc thù riêng. Có các thuật toán có những chính sách đặc biệt nhằm ưu tiên các yêu cầu chuyển giao hơn so với yêu cầu các cuộc gọi mới. Chuyển giao có tác động trực tiếp đối với chất lượng dịch vụ. Một trong những yếu tố quan trọng nhằm nâng cao chất lượng của mạng là làm cho thuê bao không hề nhận thấy có việc chuyển giao và phải chuyển giao thành công. Yêu cầu chuyển giao không thành công là một trong những nguyên nhân chính gây ra việc buộc chấm dứt cuộc gọi. Do vậy, một số nhà khai thác chọn các thuật toán mà làm giảm khả năng buộc chấm dứt cuộc gọi bằng cách gia tăng khả năng khóa các cuộc gọi mới. Các thuật toán gán kênh khác chỉ dành cho các mạng tế bào phân cấp [4][5]. Mạng tế bào phân cấp là một hệ thống tế bào phủ trong đó cụm các tế bào nhỏ được bao bởi tế bào lớn. Số kênh được phân chia giữa cụm các tế bào nhỏ và tế bào lớn. Trong các tế bào nhỏ, việc chuyển giao xuất hiện thường xuyên. Nếu không còn kênh rỗi trong các tế bào nhỏ để thực hiện một chuyển giao thì một kênh từ tế bào lớn sẽ được sử dụng. Kênh đã mượn sẽ được giải phóng

một cách nhanh nhất, hoặc đối với giải phóng cuộc gọi hoặc tái gán kênh. Hạn chế của việc sử dụng kênh tái gán là làm hạn chế gia tăng các chuyển giao bên trong tế bào.

Có một họ các thuật toán gán kênh dựa trên khái niệm tái sử dụng phân vùng [5]. Theo khái niệm tái sử dụng phân vùng, mỗi tế bào trong mạng tế bào được chia thành 2 hoặc nhiều tế bào nhỏ đồng tâm được gọi là các vùng. Trạm gốc được đặt ở trung tâm của ô. Mức công suất cho các vùng gia tăng tương ứng với khoảng cách của các vùng tới trạm gốc. Do vậy, khoảng cách tái sử dụng kênh đối với các vùng trong nhỏ hơn đối với các vùng ngoài, kết quả là đem lại việc sử dụng trải phổ hiệu quả cao hơn. Với việc tái sử dụng phân vùng, hai vấn đề chính phải giải quyết là bao nhiêu kênh để cấp phát cho mỗi vùng và việc gán kênh được thực hiện như thế nào. Dựa trên các yếu tố này, các thuật toán tái sử dụng phân vùng cố định và thích nghi đã được đề xuất. Thuật toán tái sử dụng phân vùng cố định cho phép lưu lượng đạt tới mức gấp 3 lần thuật toán FCA. Tuy nhiên, chúng bị ảnh hưởng nhiều hơn đối với cùng những vấn đề mà FCA gặp phải khi xử lý các điều kiện về lưu lượng biến thiên theo thời gian, do vậy các thuật toán tương ứng được đề xuất để cố gắng khắc phục các hạn chế này. Thuật toán tái sử dụng phân vùng không phù hợp cho các hệ thống mạng tế bào nhỏ vì tần suất chuyển giao giữa các vùng cao và phân chia tế bào thành các vùng nhỏ rất khó khăn do bề mặt địa hình tế bào phức tạp.

1.2.2.4. Hiệu suất các thuật toán gán kênh

Ngày nay, khi số người sử dụng ngày càng tăng nhanh cùng với sự phát triển bùng nổ của các ứng dụng, đặc biệt là các ứng dụng đa phương tiện với yêu cầu băng thông rộng thì việc sử dụng một cách hiệu quả tài nguyên trong mạng di động tế bào có ý nghĩa đặc biệt quan trọng cả về góc độ lý thuyết và thực tiễn. Tái sử dụng kênh tần số là một trong các giải pháp quan trọng để nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số vô tuyến điện.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 149 trang tài liệu này.

Trở ngại lớn nhất cho việc tái sử dụng kênh tần số vô tuyến điện chính là nhiễu xuyên kênh ở tế bào đồng kênh, sinh ra bởi nhiễu môi trường hoặc bởi các thiết bị di động khác. Có nhiều giải pháp kỹ thuật để hạn chế nhiễu xuyên kênh ở tế bào đồng kênh trong mạng di động tế bào:

(a) Thiết kế tối ưu hệ thống mạng di động tế bào và các thuật toán cấp phát kênh;

(b) Sử dụng các kỹ thuật điều chế, lọc, chống nhiễu tín hiệu điện,… trong các kết nối vô tuyến điện của các thiết bị di động.

Trong mạng di động tế bào, một số độ đo hiệu suất quan trọng có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng dịch vụ [18], ví dụ dịch vụ điện thoại, cung cấp cho các thuê bao di động là:

(a) Ở mức cuộc gọi: xác suất từ chối cuộc cuộc, xác suất rớt cuộc gọi, thời gian trễ cho thiết lập cuộc gọi, thời gian trễ chuyển giao, … Thời gian trễ thiết lập cuộc gọi hoặc thời gian trễ chuyển giao đồng nghĩa với thời gian cấp phát kênh.

(b) Ở mức tín hiệu: cường độ tín hiệu thu được, nhiễu xuyên kênh, tỷ suất sóng mang – nhiễu trên tạp âm CNIR, …

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 gán 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 gán kênh là:

- Số kênh cần cấp phát (lớn nhất) của các thuê bao được đáp ứng;

- Số tế bào đồng kênh phải khóa (nhỏ nhất) khi thực hiện cấp phát kênh;

- Tăng cường khả năng tham gia cấp phát kênh của các tế bào lân cận của tế bào có nhu cầu cấp phát kênh;

- Thứ tự ưu tiên cấp phát kênh (để làm giảm xác suất rớt cuộc gọi).

1.2.2.5. Đánh giá so sánh FCA và DCA

a) So sánh hiệu quả hoạt động

Về nguyên tắc, khi đánh giá các thuật toán gán kênh FCA và DCA, luôn có sự cân nhắc giữa chất lượng dịch vụ đạt được, độ phức tạp thực hiện các thuật toán và hiệu quả của việc sử dụng băng tần [5][6].

Các kết quả mô phỏng và phân tích cho thấy, với lưu lượng tải nhỏ, DCA hoạt động hiệu quả hơn FCA, do DCA sử dụng kênh hiệu quả hơn [5][6]. Tuy nhiên, FCA trở nên ưu việt hơn khi tải lưu lượng lớn, đặc biệt trong trường hợp tải là đồng nhất. Khi tải không đồng nhất, người ta chỉ ra rằng DCA hoạt động hiệu quả hơn FCA. Trong trường hợp sử dụng FCA, kênh rỗi được gán cố định trước cho các ô, cho nên có thể xảy ra trường hợp, do tải “bão hoà”, cuộc gọi bị từ chối mặc dù vẫn còn kênh rỗi ở các tế bào lân cận. Hơn nữa, đối với lưu lượng thoại, một hệ thống chuyển mạch với công suất P vẫn hoạt động hiệu quả hơn nhiều hệ thống chuyển mạch có cùng tổng công suất P. Thật vậy, với cùng xác suất từ chối cuộc gọi, hệ thống chuyển mạch với công suất lớn hơn hoạt động hiệu quả hơn. FCA hoạt động như một tập hợp các hệ thống chuyển mạch nhỏ, trong khi DCA hoạt động như một hệ thống chuyển mạch lớn.

Rõ ràng, việc khởi tạo yêu cầu thiết lập cuộc gọi (đồng nghĩa với yêu cầu cấp phát kênh) từ tế bào này đến tế bào khác là một quá trình ngẫu nhiên. Chính vì vậy, khi DCA được sử dụng, các kênh rỗi khác nhau được gán ngẫu nhiên cho các yêu cầu thiết lập cuộc gọi khác nhau. Chính bởi sự ngẫu nhiên này mà các tế bào mượn kênh để gán

– xét mặt trung bình – có khoảng cách tái sử dụng kênh lớn hơn khoảng cách tái sử dụng kênh nhỏ nhất. Hệ quả là, các thuật gán kênh động DCA không phải lúc nào cũng thành công trong việc tái sử dụng kênh. Mặt khác, trong FCA, một kênh được gán không bị nhiễu đồng kênh. Việc gán kênh rỗi cho yêu cầu thiết lập cuộc gọi được thực

hiện theo cách để luôn luôn đạt được tái sử dụng kênh cao nhất. Chính vì vậy mà FCA hoạt động hiệu quả hơn DCA trong điều kiện tải lớn.

Ngoài ra, kết quả mô phỏng còn cho thấy rằng, trong trường hợp sử dụng DCA, hệ thống chuyển mạch không phản ứng “nhạy cảm” với thời gian và đặc biệt là sự thay đổi thành phần của tải lưu lượng được cung cấp [2][3][4]; trên cơ sở đó, DCA cho phép hệ thống chuyển mạch hoạt động ổn định hơn trong mỗi tế bào.

Nhìn chung, với cùng xác suất từ chối cuộc gọi, DCA cho phép tỷ suất buộc kết thúc cuộc gọi thấp hơn FCA. Trong FCA, một cuộc gọi bắt buộc phải chuyển giao sang một kênh khác với mỗi một lần chuyển giao, vì kênh đang sử dụng không có ở tế bào lân cận. Ngược lại, trong DCA, kênh đang sử dụng có thể được gán ở tế bào mới, nếu nhiễu đồng kênh không xảy ra. Đối với các hệ thống mạng tế bào nhỏ, người dùng thường xuyên di chuyển giữa các tế bào và vì vậy, lưu lượng trong mỗi tế bào thay đổi thất thường. Chính vì vậy, việc gán kênh thường xuyên xảy ra, yêu cầu thực thể điều khiển trung tâm phải thường xuyên can thiệp. Việc sử dụng DCA trong trường này giải quyết được vấn đề nêu trên do tính mềm dẻo của cơ chế gán kênh động [18][19][21].

b) So sánh độ phức tạp thực hiện

Trong FCA, việc điều khiển cấp phát kênh được thực hiện độc lập ở mỗi tế bào bằng việc lựa chọn kênh rỗi trong số các kênh rỗi được gán cho tế bào từ trước. Trong DCA, thông tin về kênh bận ở tế bào có yêu cầu thiết lập cuộc gọi cũng như các tế bào khác là cần thiết. Với mỗi thuật toán cấp phát kênh động thực thể điều khiển có độ phức tạp thực hiện khác nhau. Nếu thuật toán DCA cụ thể yêu cầu khối lượng công việc xử lý lớn cũng như yêu cầu thông tin về toàn bộ trạng thái hệ thống để thực hiện việc cấp phát kênh thì độ trễ thiết lập cuộc gọi sẽ tăng lên đáng kể (nếu không có logic xử lý và báo hiệu tốc độ cao) [2][3][4][5]. Việc thực hiện (về mặt cơ, điện) của các thuật toán DCA đòi hỏi công suất tính toán lớn để xác định phương án gán kênh tối ưu và bảo đảm tải báo hiệu lớn. Như vậy, có thể khẳng định là độ phức tạp thực hiện đối

với các thuật toán DCA cao hơn đối với các thuật toán FCA. Chú ý rằng, FCA đòi hỏi hệ thống thiết bị qui hoạch tần số lớn để cấu hình hệ thống chuyển mạch tế bào, trong khi DCA không đòi hỏi một hệ thống thiết bị như vậy.

Về phương thức thực hiện thuật toán, FCA phù hợp hơn với việc thực hiện tập trung, trong khi DCA phù hợp hơn với việc thực hiện phân tán. Việc thực hiện tập trung sẽ sinh ra tải hệ thống lớn, điều này rất dễ dẫn đến tắc nghẽn trong trao đổi thông tin trong hệ thống (cả thông tin người dùng và thông tin điều khiển). Một trong những giải pháp khắc phục nhược điểm trên là chia nhỏ logic điều khiển thực hiện thuật toán có qui mô phù hợp với diện tích ô, vùng cần quản lý.

1.3. Quá trình chuyển giao (Handoff)

Trong mạng thông tin di động tế bào, vấn đề chuyển giao có quan hệ chặt chẽ với việc cấp phát kênh. Các thuê bao không chỉ di chuyển bên trong một tế bào mà còn di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác hoặc đi qua nhiều ô, giữa các khu kề nhau lại sử dụng các kênh vô tuyến có tần số khác nhau, vậy cuộc gọi đang thực hiện có bị dớt không hay được xử lý như thế nào. Theo [32], quá trình chuyển giao là quá trình chuyển một cuộc gọi đang được thực hiện từ tế bào này sang tế bào khác.

Thay vì để cuộc gọi bị rớt, quá trình chuyển giao giúp cho cuộc gọi được liên tục. Quá trình chuyển giao xảy ra khi hệ thống thông tin di động tự động chuyển cuộc gọi từ kênh vô tuyến này sang kênh vô tuyến khác khi thuê bao di động di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác liền kề với nó. Trong quá trình đàm thoại, hai thuê bao cùng chiếm một kênh thoại. Khi một thuê bao di động chuyển động ra khỏi vùng phủ sóng của tế bào cho trước, tín hiệu đầu thu của tế bào này sẽ giảm. Khi đó, tế bào đang sử dụng sẽ yêu cầu một chuyển giao đến hệ thống. Hệ thống sẽ chuyển mạch cuộc gọi đến một tế bào có tần số với cường độ tín hiệu thu mạnh hơn mà không làm gián đoạn cuộc gọi hay gửi cảnh báo đến người sử dụng. Cuộc gọi sẽ được tiếp tục mà người sử dụng không nhận thấy quá trình chuyển giao diễn ra.

Chuyển giao được thực hiện theo một trong 2 cách: chuyển giao cứng và chuyển giao mềm (hình 1.6, 1.7). Thuật ngữ chuyển giao cứng được sử dụng khi kênh liên lạc bị giải phóng trước khi đạt được kênh mới từ tế bào lân cận, có nghĩa là đường tín hiệu giữa thuê bao và trạm phát ban đầu của nó bị mất trong giây lát trước khi kết nối lại với trạm phát đích. Chuyển giao cứng được sử dụng trong các hệ thống TDMA, FDMA, GPRS [32]. Ngược lại với chuyển giao cứng, chuyển giao mềm có thể thiết lập đa kết nối với các tế bào lân cận, chuyển giao mềm được sử dụng ở các hệ thống CDMA, ở đó các tế bào có cùng băng tần nhưng sử dụng các mã khác nhau.

Hình 1.6: Chuyển giao cứng giữa MS và các BS

Hình 1.7: Cường độ tín hiệu và hiện tượng trễ giữa hai BS liền kề để chuyển giao có thể xẩy ra

Nghĩa là 2 trạm phát đồng thời kết nối với thuê bao trong thời gian ngắn trong quá trình chuyển giao, ngay khi đường tín hiệu giữa thuê bao và trạm phát mới được chấp nhận, đường tín hiệu giữa thuê bao và trạm gốc ban đầu sẽ bị loại bỏ. Kỹ thuật này đảm bảo việc chuyển giao được suôn sẻ và không bị gián đoạn cuộc gọi. Trong chuyển giao mềm, mỗi thuê bao duy trì một tập mà ở đó các BS lân cận được thêm vào khi RSS vượt quá một ngưỡng cho trước và bị loại khỏi tập này nếu RSS giảm xuống thấp hơn một ngưỡng khác trong một khoảng thời gian cho trước. Khi có sự xuất hiện hoặc biến mất của một BS một cách đột ngột, một chuyển giao mềm sẽ xuất hiện. Một số hệ thống sử dụng chuyển giao mềm như IS-95, CDMA băng rộng [33][34].

1.4. Các thuật toán mượn, khoá kênh

1.4.1. Mượn, khoá kênh

Trong mạng di động tế bào, khái niệm mượn kênh chỉ tới việc một tế bào có thể mượn kênh từ các tế bào lân cận của nó hoặc mượn kênh từ vùng này tới vùng khác trong tế bào[5][34][35]. Các thuật toán mượn kênh, khoá kênh khác với thuật toán FCA cơ bản ở chỗ nó cho phép một tế bào sử dụng một số kênh từ các tập kênh khác ngoài các kênh mà nó được cấp phát [6]. Việc thực hiện mượn kênh được thực hiện khi không còn kênh danh định nào để đáp ứng cho yêu cầu cuộc gọi (các cuộc gọi mới hoặc các yêu cầu chuyển giao) hoặc khi số lượng kênh bận đã đạt tới một ngưỡng xác định. Các kênh đã mượn thông thường từ các tế bào lân cận, trong một số trường hợp từ các tế bào cùng thuộc nhóm Compact với tế bào mượn kênh. Sự mượn kênh xẩy ra khi một tế bào quá tải trong khi các tế bào lân cận có tải nhẹ hơn hoặc khi cần thực hiện cân bằng tải trong mạng. Từ đó tăng dung lượng kênh cho mạng dẫn đến tăng chất lượng dịch vụ cho toàn hệ thống. Khi một tế bào thực hiện mượn một kênh từ tế bào lân cận thì kênh cho mượn phải không ảnh hưởng nhiễu đến các kênh đang được sử dụng, chính vì vậy mà kênh mượn của tế bào cho mượn cần phải được khoá tại các tế bào đồng kênh của tế bào đó. Vấn đề đặt ra trong bài toán mượn kênh là phải làm thế