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

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 71 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 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đ. P. Nhung, D. Đ. Viên, H. K. Lâm, “Phân tích hiệu năng bằng mô hình MCPFQN.” 72 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. 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 , ,Aii Aii Aiin   , ,Ajj Ajj Ajjn   , ,Bkk Bkk Bkkn   , ,Bll Bll Blln   Cuộc gọi chuyển giao trong cùng Macrocell , ,Aij Aij Aijn   , ,Aji Aji Ajin   , ,Bkl Bkl Bkln   , ,Blk Blk Blkn   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  Hình 1. Mạng hàng đợi đóng nhiều lớp cuộc gọi cho hệ thống chuyển giao trong mạng di động 4G. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 73 2.2. Phân tích mô hình Trước hết, ta nhóm các cuộc gọi theo các lớp cuộc gọi, ( 1,..., )r r 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: 1Aii Aij   ; , 1Ajj Aji Aj Bk     ; , 1Bkk Bkl Bk Aj     ; 1Bll Blk   . Tổng số các cuộc gọi ở Femtocell Aj : , ,Aj Ajj Aji Bk Aj Aj BkN n n n n    (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 ( )( ) rNR vhj ir js ir js r i       (2) Femtocell j có tổng số cuộc gọi là jsN , ta có: js vhj hhj nwjN N N N   (3) Trong đó, , 1, sN hhj ks js k k j N n     là tổng số cuộc gọi chuyển giao ngang từ một Femtocell ( 1,..., )sk k N đến Femtocell ( 1,..., )sj j N và ;k j nwj jssN n là tổng số cuộc gọi mới trong cùng Femtocell j của lớp mạng s. Thay vào (3) ta có: , , 1, 1 1, sr NNR 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, ( )( ) ( )( ) sr NNR 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, ( )( ) ( )( ) sr NNR 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 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: Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đ. P. Nhung, D. Đ. Viên, H. K. Lâm, “Phân tích hiệu năng bằng mô hình MCPFQN.” 74 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 , , 0 1, 1 1, ( ) 1 js sr C NNR 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, jC là số kênh của cell j ; jsC là số kênh của cell j ở lớp s 2) Số lượng trung bình các cuộc gọi ở Femtocell j lớp mạng s là: , , , , 1, 1 1, sr NNR 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 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/ 1n / 2n (với 1n là dung lượng của hệ thống tức là số lượng kênh; 2n là 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/ 1n / 2n là số lượng các cuộc gọi trung bình [ ] m iE N , đáp ứng trung bình [ ]miE 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/ 1n / 2n với 1 2n n , cụ thể 1 2 30n n  (kết quả là hình 3). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 75 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 1 2n n thì 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 1 2n n thì 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 ( 1 2n n ) và kịch bản 3 ( 1 2n n ). 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. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Đ. P. Nhung, D. Đ. Viên, H. K. Lâm, “Phân tích hiệu năng bằng mô hình MCPFQN.” 76 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 1 2n n (với 1 15n  và 2 30n  ) 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 2n n cũng cho kết quả tương tự. 3.2.3. Kịch bản 3: Chọn 1 2n n (với 1 30n  và 2 15n  ) 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 1 2n n cũng 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. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 77 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 Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên; *Email: dophuongnhung@gmail.com.