Giáo trình Mạng không dây - Chương 6: Định vị kênh truyền - Trần Thị Minh Khoa

Chương 6. Định vị kênh truyền (Traffic Channel Allocation) GV: TS. Trần Thị Minh Khoa Email: ttmkhoa@iuh.edu.vn Agenda • Khái niệm Định vị kênh truyền (Channel Allocation Concept) • Các cách thức Định vị kênh truyền (Channel Allocation Schemes) 2/27/2017 2 KHÁI NIỆM ĐỊNH VỊ KÊNH TRUYỀN (CHANNEL ALLOCATION CONCEPT) 2/27/2017 3 Định vị kênh truyền là gì? • Một phổ vô tuyến (radio spectrum) được chia thành tập hợp các kênh tách rời nhau (disjoint channels), phân bố thích hợp các kênh truyền cho các cell (sử dụng tốt khoảng cách – reuse distance – giữa các kênh truyền) – các MS khác nhau có thể sử dụng đồng thời trong khi vẫn giảm thiểu được sự can thiệp kênh liền kề • Hoặc, cách mà một BS phân luồng giao thông cho các MS. • Vd: Hệ thống FDMA/TDMA 2/27/2017 4 Định vị kênh truyền là gì? • Xét trường hợp các luồng giao thông được phân chia đều cho các cell trong một cluster • Gọi Stotal: số lượng kênh truyền N: kích thước của cluster tái sử dụng (số lượng cells/cluster) Số lượng kênh truyền mỗi cell (channels/cell) S = Stotal/N • Vd: Stotal=413, N=7  S=59 2/27/2017 5 Định vị kênh truyền là gì? • Nếu N giảm  S tăng  can thiệp đồng kênh (interference) tăng Định vị kênh truyền dựa vào tải (traffic load): khó dự đoán lưu lượng truy cập tức thời  Phân bố số lượng tương đương các kênh cho mỗi cell  các MS trong khu vực được phân bố đều và xác suất mỗi MS thực hiện cuộc gọi được giả định là như nhau (các vật cản được xem là như nhau) 2/27/2017 6 • Các cách thức Định vị kênh truyền (Channel Allocation Schemes) – Fixed Channel Allocation schemes (FCA schemes); – Dynamic Channel Allocation schemes (DCA schemes); – Hybrid Channel Allocation schemes (HCA schemes: combining both FCA and DCA techniques); 2/27/2017 7 CÁC CÁCH THỨC ĐỊNH VỊ KÊNH TRUYỀN (CHANNEL ALLOCATION SCHEMES) 2/27/2017 8 Fixed Channel Allocation (FCA) • Trong FCA, – Một nhóm các kênh được phân bố vĩnh viễn cho từng cell trong mạng – Sự phân bố này là cố định và không thể thay đổi • Để hoạt động hiệu quả, FCA phân bổ các kênh để tối đa hóa việc tái sử dụng tần số  Nếu tổng số kênh có sẵn trong hệ thống được chia thành nhóm, số lượng nhỏ nhóm tối thiểu cần thiết để phục vụ cho toàn bộ vùng phủ sóng có liên quan đến tái sử dụng tần số D và bán kính R của từng cell : 𝑁 = 𝐷 𝑅 3 2/27/2017 9 Fixed Channel Allocation (FCA) 2/27/2017 10 A7 A2 A1 A3 A4 A5 A6 Fixed Channel Allocation (FCA) • Do sự biến động ngắn hạn của lưu lượng dữ liệu, FCA không thể duy trì chất lượng dịch vụ cao với nhu cầu lưu lượng dữ liệu tĩnh • Một cách tiếp cận để giải quyết vấn đề này là mượn các kênh từ nhàn rỗi của các cell lân cận. Có rất nhiều cách thức mượn kênh từ đơn giản tới phức tạp: – Simple Borrowing Schemes – Complex Borrowing Schemes 2/27/2017 11 Simple Borrowing Schemes • Cell (acceptor cell) chọn và mượn các kênh nhàn rỗi từ cell lân cận (donor cell) có nhiều kênh nhàn rỗi nhất (borrow from the richest) • Việc chọn kênh nhàn rỗi đầu tiên được thực hiện thông qua thuật toán tìm kiếm (borrow first available scheme) • Trả kênh đã mượn khi trong accptor cell có kênh nhàn rỗi (basic algorithm with reassignment) • Kênh được mượn phải là kênh không xung đột với cuộc gọi hiện tại 2/27/2017 12 Simple Borrowing Schemes 2/27/2017 13 Scheme Description Simple Borrowing (SB) A nominal channel set is assigned to a cell, as in the FCA case. After all nominal channels are used, an available channel from a neighboring cell is borrowed. Borrow from the Richest (SBR) Channels that are candidates for borrowing are available channels nominally assigned to one of the adjacent cells of the acceptor cell. If more than one adjacent cell has channels available for borrowing, a channel is borrowed from the cell with the greatest number of channels available for borrowing. Basic Algorithm (BA) This is an improved version of the SBR strategy which takes channel locking into account when selecting a candidate channel for borrowing. This scheme tried to minimize the future call blocking probability in the cell that is most affected by the channel borrowing. Basic Algorithm with Reassignment (BAR) This scheme provides for the transfer of a call from a borrowed channel to a nominal channel whenever a nominal channel becomes available. Borrow First Available (BFA) Instead of trying to optimize when borrowing, this algorithm selects the first candidate channel it finds. Complex Borrowing Schemes • Chiến lược cơ bản là chia các kênh thành 2 nhóm, – một nhóm được phân bổ vĩnh viễn cho mỗi cell – và nhóm còn lại dùng để phục vụ cho việc mượn kênh của các cell lân cận. • Tỉ lệ giữa 2 nhóm kênh được xác định trước và có thể dựa trên việc ước lượng lưu lượng dữ liệu trong hệ thống 2/27/2017 14 Complex Borrowing Schemes • Mượn kênh theo thứ tự: – Tất cả các kênh trong mỗi cell đều được gán quyến ưu tiên. – Kênh có ưu tiên cao nhất được sử dụng tuần từ cho các cuộc gọi nội bộ, – trong khi đó các kênh cho mượn được thực hiện bắt đầu từ kênh có quyền ưu tiên thấp nhất • Mỗi sự cho mượn đều phải được thực hiện sao cho sự can thiệp kênh là nhỏ nhất • Việc phân bổ kênh tạm thời được thực hiện bằng kỹ thuật phân chia vùng (sectoring technique) 2/27/2017 15 Complex Borrowing Schemes: 2/27/2017 16 X Z Y2 1 Cell 3 Donor Cell for Sector X • A call initiated in the sector X of cell 3 can borrow a channel from adjacent cells 1 or 2. Impact of Channel Borrowing in Sectored Cell-based Wireless System 2/27/2017 17 A7 A2 A1 A3 A4 A5 A6 c c c c c c c a a a a a a a b b b b b b b x X borrows some channels from a Dynamic Channel Allocation (DCA) • Trong DCA, – Tất cả các kênh được giữ trong trung tâm dự trữ (central pool) và được phân bổ linh động khi các cuộc gọi mới xuất hiện. – Sau mỗi cuộc gọi, kênh được trả lại cho trung tâm dự trữ  khá đơn giản để chọn kênh thích hợp nhất đối với bất kỳ cuộc gọi nào chỉ dựa trên việc phân bổ và lưu lượng dữ liệu hiện tại  giảm sự can thiệp giữa các kênh  khắc phục được những vấn đề của FCA. 2/27/2017 18 Dynamic Channel Allocation (DCA) • Trong thực tế, kênh nhàn rỗi có thể được phân bổ cho bất kỳ cell nào cho đến khi việc hạn chế can thiệp kênh được thỏa mãn việc chọn lựa có thể rất đơn giản, cũng có thể phải xem xét một hay nhiều yếu tố, bao gồm khả năng chặn kênh của các cell lân cận, khoảng cách tái sử dụng, việc sử dụng tần số của các kênh ứng viên, • Việc điều khiển trong DCA có thể là tập trung (centralized) hay phân bố (distributed) 2/27/2017 19 Dynamic Channel Allocation (DCA) • Centralized DCA: một người điều khiển việc chọn kênh cho các cell – Về lý thuyết, Centralized DCA có thể đạt hiệu suất tốt nhất. – Do số lần tính toán và liên lạc giữa các BS quá lớn  trễ hệ thống, không thực tế – Tuy nhiên Centralized DCA thường cung cấp 1 chuẩn mực để so sánh các DCA không tập trung • Distributed DCA: nhiều người điều khiển được phân tán trên mạng 2/27/2017 20 Centralized DCA • Đối với một cuộc gọi mới, kênh truyền được chọn sẽ là kênh truyền nhàn rỗi từ trung tâm dữ trữ với một chức năng đặc trưng cụ thể. – Đơn giản nhất là chọn kênh nhàn rỗi đầu tiên thỏa mãn điều kiện về khoảng cách tái sử dụng. Luân phiên chọn kênh nhàn rỗi có thể tối thiểu hóa xác suất nghẽn cuộc gọi của cell lân cận  locally optimized dynamic assigment – Một cách khác trong việc tối ưu hóa việc tái sử dụng kênh là sử dụng tối đa các kênh trong hệ thống bằng cách phân bổ hợp lý các kênh  tối đa hiệu quả của hệ thống • Giảm thiểu khoảng cách giữa các cell sử dụng cùng 1 kênh 2/27/2017 21 Distributed DCA • Distributed DCA chủ yếu dựa vào 1 trong 3 thông số sau: – Khoảng cách đồng kênh (co-channel distance) – Đo cường độ tín hiệu (signal strength measurement) • Kênh được phân bổ cho cuộc gọi mới khi tỉ số nhiễu đồng kênh dự đoán (anticipated CCIR) cao hơn ngưỡng (threshold) – Tỷ số tín hiệu nhiễu (Signal-to-Noise ratio) • Đáp ứng tỷ lệ CCIR mong muốn 2/27/2017 22 Comparison between FCA and DCA 2/27/2017 23 FCA DCA  Performs better under heavy traffic  Low flexibility in channel assignment  Maximum channel reusability  Sensitive to time and spatial changes  Not stable grade of service per cell in an interference cell group  High forced call termination probability  Suitable for large cell environment  Low flexibility  Performs better under light/moderate traffic  Flexible channel allocation  Not always maximum channel reusability  Insensitive to time and time spatial changes  Stable grade of service per cell in an interference cell group  Low to moderate forced call termination probability  Suitable in microcellular environment  High flexibility Comparison between FCA and DCA 2/27/2017 24 FCA DCA  Radio equipment covers all channels assigned to the cell  Independent channel control  Low computational effort  Low call set up delay  Low implementation complexity  Complex, labor intensive frequency planning  Low signaling load  Centralized control  Radio equipment covers the temporary channel assigned to the cell  Fully centralized to fully distributed control dependent on the scheme  High computational effort  Moderate to high call set up delay  Moderate to high implementation complexity  No frequency planning  Moderate to high signaling load  Centralized, distributed control depending on the scheme Hybrid Channel Allocation (HCA) • HCA là sự kết hợp giữa FCA và DCA • Trong HCA, tổng số lượng các kênh có sẵn được chia thành 2 nhóm: nhóm cố định (fixed set) và nhóm linh động (dynamic set) – Nhóm cố định bao gồm các kênh được phân cho các cell như trong FCA và trong mọi trường hợp đều được ưu tiên sử dụng cho các cell tương ứng của chúng – Nhóm linh động được chia sẻ cho tất cà người dùng trong hệ thống nhằm tăng sự linh động • Vd: Khi một cuộc gọi yêu cầu dịch vụ từ 1 cell và tất cả các kênh trong nhóm cố định đều bận thì một kênh trong nhóm linh động sẽ được cập cho cuộc gọi đó 2/27/2017 25 Hybrid Channel Allocation (HCA) • Yêu cầu kênh từ nhóm linh động chỉ được khỏi tạo khi cell đã sử dụng hết các kênh trong nhóm cố định của nó • Tỷ lệ tối ưu: là tỷ lệ số giữa lượng kênh cố định và kênh linh động – 3:1 (fixed to dynamic), HCA cung cấp dịch vụ tốt hơn FCA về lưu lượng – Ngoài 50% : FCA tốt hơn – So sánh với DCA: khi traffic load vào khoảng 15%-40%  HCA cho kqua tốt hơn 2/27/2017 26 Other Channel Allocation Schemes • Dựa vào những điều kiện khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, một số cách thức định vị kênh truyền khác đã được đề xuất: – Flexible Channel Allocation – Handoff Channel Allocation 2/27/2017 27 ALLOCATION IN SPECIALIZED SYSTEM STRUCTURE (ĐỊNH VỊ TRONG CÁC HỆ THỐNG ĐẶC BIỆT) 2/27/2017 28 Channel Allocation in One-Dimensional Systems • Cho định vị kênh a,b,c,d,e và hướng của các MS trong từng cell như hình, khi cuộc gọi mới được khởi tạo trong cell 1  cách tốt nhất để chọn kênh cho cell 1 tối thiểu là (D+1) • MS trong cell 1 sẽ dc phân bố kênh e. Theo tgian, khi MS trong cell 1 di chuyển tới cell 2 và MS trong cell 7 di chuyển tới cell 8 thì cả 2 MS vẫn có thể sử dụng cùng kênh mà không cần phải chuyển kênh 2/27/2017 29 1 2 3 4 5 6 7 8 Call initiated Reuse distance D a b c d e Reuse Partitioning–Based Channel Allocation • Mỗi cell được chia thành những vùng đồng tâm • Vùng càng gần BS cần ít năng lượng hơn để đạt được tỷ lệ nhiễu đồng kênh hoặc tỷ lệ nhiễu tín hiệu mong muốn 2/27/2017 30 1 2 3 4 Overlapped Cells–Based Channel Allocation • Cell được tách thành những cell nhỏ hơn (pico, micro cells) nhằm xử lý sự tăng lưu lượng • Phân bổ kênh cho cell và microcell dựa vào sự chuyển động, tốc độ của MS – MS chuyển động chậm  kênh được phân bổ từ một trong những microcell dựa vào vị trí hiện tại – MS chuyển động nhanh (chuyển vùng thường xuyên)  kênh được phân bổ từ cell 2/27/2017 31 Overlapped Cells–Based Channel Allocation 2/27/2017 32 Cell 7 2 3 6 5 4 1 Microcell Summary • Frequency reuse scheme – increases capacity – minimize interference • Fixed channel allocation – each cell is allocated a predetermined set of voice channel – any new call attempt can only be served by the unused channels – the call will be blocked if all channels in that cell are occupied 2/27/2017 33 • Channel allocation scheme – fixed channel allocation – dynamic channel allocation – Hybrid channel allocation • Dynamic channel allocation – channels are not allocated to cells permanently. – allocate channels based on request. – reduce the likelihood of blocking, increase capacity.