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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (416.21 KB, 7 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG 
CÁC FEMTOCELL BẰNG MƠ 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 u cầu 
băng thơng và tốc độ cao. Tính khơng 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 thơng, 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. Mơ 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 mơ hình khảo sát phổ và
sử dụng năng lượng hiệu quả. Trong [4], các tác giả cũng thiết kế mô hình mơ
phỏng dùng Markov ẩn với mơ hình đa trạng thái để tính tốn. 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 mơ 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 khơng 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.

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

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 mơ 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 mơ hình hệ thống nói trên; Mục III trình bày trình bày việc mơ
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. Mơ 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 mơ 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. Mơ 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.

Đặc tính Macrocell A Macrocell B

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 nAii,Aii,Aii nAjj,Ajj,Ajj nBkk,Bkk,Bkk nBll,Bll,Bll

Cuộc gọi chuyển giao trong cùng

Macrocell nAij,Aij,Aij nAji,Aji,Aji nBkl,Bkl,Bkl nBlk,Blk,Blk
Cuộc gọi chuyển giao đến

Macrocell lân cận -

, ,
,

, ,

Aj Bk Aj Bk
Aj Bk

n 



, ,
,

, ,

Bk Aj Bk Aj
Bk Aj

n 

 -

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

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

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

2.2. Phân tích mơ 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 Aj và 
Femtocell Bk 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
Aii Aij

   ;AjjAjiAj Bk, 1;BkkBklBk Aj, 1;BllBlk1.

Tổng số các cuộc gọi ở Femtocell Aj: NAjnAjjnAjinBk Aj, nAj 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

vhj ir js ir js
r i

  

 





(2)

Femtocell j có tổng số cuộc gọi là Njs, ta có: NjsNvhjNhhjNnwj (3)

Trong đó, ,

s
N
hhj ks js

k k j

N n

 





là tổng số cuộc gọi chuyển giao ngang từ một

Femtocell k k( 1,...,Ns)đến Femtocell j j( 1,...,Ns)và kj; Nnwjnjss là tổng số cuộc gọi
mới trong cùng Femtocell j của lớp mạng s.

Thay vào (3) ta có: , ,

1, 1 1,

s

r N

N
R

js ir js ks js jss
r r s i k k j

N n n n

    



 





 (4)

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

, , , ,
1 1 1,

( )( ) ( )( )

s

r N

N
R

js ir js ir js ks js ks js jss jss

r i k k j

      

   









 (5)

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:

, , , ,
1 1 1,

( )( ) ( )( )

s

r N

N
R

js ir js ir ks ks js ks js jss jss

r i k k j

v v  v  v 

   









 (6)

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

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

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:

, ,
0 1, 1 1,

( )

js r s

C R N N

js js js

js ir js ks js jss

j js

n r r s i k k j

C n N

U n n n

C N





     

 

  

 

     

  

  



 



(7)

Trong đó, Cj là số kênh của cell j; Cjs là số kênh của cell jở lớp s
2) Số lượng trung bình các cuộc gọi ở Femtocell j lớp mạng s là:

, , , ,
1, 1 1,

s

r N

N
R

j ir js ir js ks js ks js jss jss
r r s i k k j

N n  n  n 

    



 





 (8)

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
js N
R



 . (9)

3. MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 
3.1. Giới thiệu mơ phỏng

Hình 2. Mơ hình mơ 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 mơ 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
tốn 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[ im], đáp ứng trung bình

[ im]

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

1 2 30

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

Hình 3. Kết quả mơ 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, khơng có biến
động, thể hiện chất lượng đảm
bảo. Tuy nhiên, trong thực tế,
không phải lúc nào số lượng
băng thơng 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 tơi 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.

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

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 n115 và n2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

1 2

n n cũng cho kết quả tương tự.

3.2.3. Kịch bản 3: Chọn n1n2 (với n130 và n2 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 mơ 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 thơng 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 mơ
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 mơ 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 mơ 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 mơ hình hệ thống kiểu 1 có
dùng hai chế độ là FCFS – PS và hệ thống kiểu 2 thì các thơng 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 mơ 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 q trình chuyển giao thực tế hơn nếu thay đổi dung lượng băng
thơng, 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

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

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]. 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

</div>