«آناليز عملكرد حداقل احتمال بلوكه شدن مكالمه براي تخصيص كانال ديناميك (پويا) در شبكه هاي سلولي موبايل »

چكيده : در اين مقاله ،مسئله اختصاص كانال پويا (DCA)  در شبكه سلولي مورد بحث و بررسي قرار مي گيرد. ما نتايجي را درباره آن ترسيم مي كنيم كه بهبود عملكرد سيستم بوسيله DCA  اينست كه DCA  ، كاركرد و كارآمدي خط اصلي را افزايش مي دهد، اما روش ساده و مفيد را براي محاسبه حد پايين احتمال بلوكه شدن مكالمه DCA  توسعه مي دهد، با استفاده از اين روش ،مي توانيم عملكرد اختصاص كانال ثابت (FCA)  را با هر نوع طرحهاي DCA  به سادگي و بهتر ، مورد مقايسه قرار دهيم.

ما همچنين عملكرد DCA  را در موارد مختلف مورد بحث و بررسي قرار خواهيم داد.

كلمات كليدي: اختصاص كانال ثابت ،اختصاص كانال پويا، نظريه خط اصلي ، ارتباط سلولي موبايل.

مقدمه

با پيشرفت فناوري ارتباطي ،ارتباط پرسنل بسرعت رشد مي كند و شبكه هاي ارتباط جهاني نيز تحت تحقيقات فعالي قرار مي گيرند. در آينده ، سيستم هاي ارتباط جهاني ،ثابت متحرك مي تواند با همديگر در هر زماني و جايي و در هر شرايطي ارتباط برقرار نمايد،آنها مي توانند اطلاعات را بوسيله اين نسل از سيستم هاي جديد ارتباط پرسنل، مبادله نمايند.

سيستم هاي متحرك ترن MTS  ،اغلب براي پوشش حوزه پرتردد مثل شهرهاي بزرگ به كار مي روند ، جائيكه ساختارهاي سلولي كوچك و بزرگ نيز اغلب به كار گرفته مي شوند. خصوصاً در ساختماني بزرگ ، ساختار ميكروسلولي سه بعدي اغلب به كار خواهند رفت كارايي استفاده از منابع فركانس (كانال در پوشش معيني، با نسبت استفاده مجدد از كانال د رسلولهاي معين، مشخص مي شود. اين مقاله به بررسي طرح اختصاص منابع كانال راديويي در شبكه هاي سلول متحرك (موبايل ) زميني ، مي پردازد. در اينجا،بطور كلي به منابع كانال راديويي براي CDMA,TDMA,FDMA  بدون ملاحظه خواص هر يك از كانال هاي فيزيكي خواهيم پرداخت.

طرحهاي اختصاص كانال ،نقش مهمي را در سيستم هاي ارتباطي موبايل براي ايجاد ثابت و پايداري وكارآمدي شبكه ايفا مي كنند. هدف روش اختصاص كانال پويا DCA  ارائه و ايجاد امكان استفاده از شبكه هاي موبايل در شرايط منابع محدود كانال و بار تردد خاص شبكه مي باشد. با استفاده از DCA  ، كارايي كانال و كيفيت خدمات مي تواند بهبود يابد. DCA  نيز مي تواند توانايي سازگاري براي تغييرات ناگهاني بار تردد را ارائه دهد. در سيستم موبايل سلولي منابع كانال محدود باند محدود راديويي است كه به سيستم موبايل اختصاص دارد. در شبكه هاي مورد بحث در تحقيقات باند راديويي به چند كانال تقسيم مي شود. اين كانالها به تصديق كنندگان آن برطبق تقاضاي مكالمه شان اختصاص مي يابد . قطعاً ،تقاضاي مكالمه كه بوسيله تاييد كننده خاص انجام مي شود كنار گذاشته مي شود،اگر كانالهاي سالم در طرح منابع كانال موجود نباشد . يك راهبرد DCA  كه داراي عملكرد مطلوبي است مي تواند ،احتمال اين كنار گذاشتن را براي كاهش احتمال بلوكه شدن كاهش دهد.

جداي از محدوديت منابع كانال در سيستم هاي موبايل تداخل كانال نيز ، راهبرد اختصاص كانال را محدود مي كند، همان كانال نمي تواند ،در اين سلولها مجدداً به كار گرفته شود كه داراي خوشه تداخل بين كانالي مي باشد و در غير اينصورت ،ارتباط نمي تواند بعلت تداخل نامطلوب صورت گيرد.

در تحقيقات ، الگوريتم هاي اختصاص كانال بطور وسيعي به كار برده مي شوند و چندين نوع الگوريتم DCA  مطرح شده اند. اين نوع الگوريتم هاي DCA  براي عملكردشان در فرضيات خاص با همديگر مقايسه مي شوند. به هر حال ، همانطوريكه مي دانيم به هر الگوريتم DCA  نمي تواند ظرفيت تردد سيستم را بهبود بخشد. علاقه زيادي به محدوديت بهبود عملكرد بوسيله الگوريتم DCA  و شرايط تحت آن وجود دارد كه الگوريتم DCA  بزرگترين نقش را ايفا مي كند. گفته مي شود كه عملكرد DCA  در شرايط مختلف كانال ،بار مختلف تردد و مدل مختلف سلولي، متفاوت است ما نيازي به توسعه روش براي سنجش عملكرد هر نوع الگوريتم DCA  داريم.

در اين مقاله ،اين مشكلات رابررسي خواهيم كرد و سپس روش ساده اي را براي محاسبه حد پايين احتمال بلوكه شدن مكالمه درسيستم سلولي با استفاده از الگوريتم DCA  ارائه مي دهيم. با اين روش ،مي توانيم عملكرد هر الگوريتم DCA  را در همان مدل سلولي مورد مقايسه قرار دهيم.

در بخش دوم اين مقاله ،آناليز مدل، توصيف و مدل ارائه خواهد شد. در بخش سوم، روش ساده اي را براي محاسبه حد پايين احتمال بلوكه شدن مكالمه با استفاده از الگوريتم DCA  توسعه خواهيم داد. در بخش آخر نتايج عددي و نتيجه گيري درباره انتخاب الگوريتم DCA  در طرح سيستم عملي ارائه مي شود.

«2 - فرضيه و مدل رياضي »

در اين مقاله ، مباحثي درباره فرضيات ذيل ارائه مي شود:

1)مقدار كل كانال هاي دوبلكس موجود در سيستم سلولي ، M  است . مقدار كل مجموعه بصورت (GH)….CHM)  است و سيستم موبايل سلولي داراي كانال هاي دوبلكس M  براي كاربرد و استفاده بيشتر مي باشد.

اگر هر سلول به گروهي از كانالهاي (K<M)K  اختصاص يابد و اگر كانال هاي M  در بين سلولهاي N  تقسيم شود، گروههاي كانال واحد و مجزا داراي همان تعداد كانال خواهند بود و كل تعداد كانالهاي راديويي مي تواند بصورت ذيل ارائه شوند.

1)  M=KN  سلولهاي N  ،مجموعه كاملي از فراواني ها را به كار مي برند كه بصورت خدشه اي (C₁….CN)  تعريف مي شوند. CN  اندازه خدشه يا عامل استفاده و كاربرد مجدد سلول است.

2)    هر سلول داراي همان شعاع R  است AS  در تصوير يك نشان داده مي شود.

3)    فرض كنيد كه موج راديويي در همان روش و در فضاي آزاد منتقل مي شود.

اگر فاصله بين سلولها بزرگتر از مقدار ثابت D  باشد ، منابع كانال مي تواند در اين دو سلول به كار گرفته شود و تداخل بين كانال مي تواند ناديده گرفته شود. براي هندسه چند ضلعي ،اندازه خوشه N  ،شعاع سلولي R  و حداقل فاصله استفاده مجدد از كانال D ، معادله 2 را در بردارد.

4) براي تصريح تداخل كانال مجاور نيز ناديده گرفته مي شود.

5)  فرض كنيد،تاييد كننده هاي زيادي در هر سلول وجود دارد. يعني ،ميزان رسيدن مكالمه و تعداد مكالمه ها،مستقل از يكديگر است .

6) فرض كنيد كه مكالمه برطبق توزيع پوسيون مي رسد،در هر مكالمه از سيستم فرض مي شود كه ميزان رسيدن مكالمه مشابه است كه بوسيله l ارائه مي شود و ما مي توانيم توزيع احتمال را بدست آوريم .                                Pr=

جائيكه a(f)  تعداد پيام هاي رسيده است كه t=0  و t ، زمان رسيدن مكالمه است

7) اگر مكالمه بلوكه شود،فوراً پاك خواهد شد.

يعني هيچگونه علامتي در مدل خطي وجود ندارد جائيكه فرمول Erlang B به كار مي رود. A فرض مي شود زمان مدت مكالمه ، شاخص مدت ميانگين مكالمه H است M=1/H,- ميزان ميانگين خدمات است، كاركرد تراكم احتمال زمان خدمات به صورت ذيل است : P(S_n)=m-e^m(4)                                                

جائيكه s_n، زمان خدمات كاربرد n است.

9-خروج از دوره مكالمه، خارج از بحث ماست.

30-حد پايين احتمال بلوكه شدن مكالمه اختصاص كانال ديناميك

ما با مورد اختصاص كانال ثابت fca شروع مي كنيم، كانال هاي دو بلكي m است، و راهبرد FCA، هر سلول به گروهي از كانال هاي K اشاره و تخصيص مي يابد. بار تردد در هر سلول بصورت ذيل تبيين مي شود .  (Erlang)           = cell         A  per

در هر سلول، در سيستم، فرض مي شو د مشابه باشد، احتمال بلوكه شدن مكالمه براي هر سلول، مشابه است و مي تواند با فرمول Erlang بصورت ذيل بدست آيد ALC)) Erlang= p_bc جائيكه n كل بار تردد سلول است و k، تعداد كل كانال هاي دوپكلس قابل استفاده است كه بوسيله راهبرد FCA در سلول اختصاص مي يابد.

اكنون- مورد سيستمي را بحث مي كنيم فقط داراي خوشه سلولي است و اندازه خوشه، n است و تعداد كل سلولهاي سيستم n است و كانال هاي سيستم نمي توانند مجددا مورد استفاده قرار گيرند. در نتيجه كل بار تردد در داخل خوشه بصورت ذيل است (v)A=N تعداد كل كانال هاي موجود در خوشه M است كه K برابر N است. برطبق اصل اختصاصي كانال ديناميك، هر كاربر از هر سلول در خوشه، حق تقاضا در هر كانال در مجموعه كل كانال را ندارد.

اگر كانال سالم باشد، سيستم، كانال را به كاربر اختصاص خواهد داد، در غيراينصورت ، مكالمه درخواستي بدون اثرود، بلوكه خواهد شد. در طول دوره ي مكالمه، هر كاربر در خوشه نمي تواند كانال را مجددا استفاده كند. اين مسئله به معناي بار كل تردد در خوشه است كه داراي مجموعه كانال (H_M). …CH₁) با استفاده از فرمول Erlang B مي باشد.  (8)

جائيكه A بار متوسط تردد در هر سلول است، N، اندازه خوشه و K، تعداد كل كانال هاي موجود و هر سلول و در اختصاص كانال ثابت است.  (9)

يعني، در سيستم يك خوشه وجود دارد، بهبود بلوكه شدن مكالمه با راهبرد DCA بدين معناست كه DCA، اثر كارآمدي خط اصلي را آزاد مي كند. اگر نوعي از راهبرد DCA، اصل اساسي DCA را عليرغم نوع راهبرد DCA برآورده سازد، نتيجه احتمال بلوكه شدن با كاربرد dca هميشه مشابه است كه با معادله 8 محاسبه مي شود . در واقع بهبود الگوريتم در طرح DCA، معنايي ندارد و چون، كل سيستم داراي يك خوشه است و هر كانال نمي تواند مورد استفاده مجدد قرار گيرد ما مي توانيم همان نتايج را از معادله ي 8، براي هر طرح dca در سيستم سلولي خوشه اي بدست آوريم.

به هرحال، براي سيستم هاي كلي سلولي، آن هميشه داراي چندين خوشه و منابع كانال است كه مي تواند در هر دو سلول مجددا استفاده شود كه به همان خوشه تعلق ندارد. در مورد كلي، فرض مي كنيم كه هر سلول داراي همان بار تردد Aاست و تعداد كل سلولها در سيستم، C است همچنين كانال هاي دوپلكس M وجود دارد كه به مجموعه (CH_M  …CH₁) تعلق دارد. فرض مي كنيم كه احتمال متوسط بلوكه شدن مكالمه طبق راهبرد PCA، بصورت P_N(DCA)C است.

فرضيه ديگري تغيير نمي يابد. بنابراين در سيستم جديد، متوسط احتمال بلوكه شدن مكالمه بصورت (cells  C+1 / (CDCA  P_B) است.

فرض كنيد كه مجموعه سلولها در سيستم جديد، C‌است. (C+1. …C₁)

جائيكه (C₁…(C)  سلولهاي سيستم قديمي است. سلول C_C+1 ، سلول اضافه شده است. ما خوشه سلولي Q‌ را مي سازيم كه شامل سلول اضافه شده C_C+1  است. بطور واضح، سلول C_C+1 ، در منابع كانال با ساير سلولها در خوشه سيستم مي باشد. بعنوان نتيجه ، تقاضاي مكالمه در سلول C_C+1 ، متوسط احتمال بلوكه شدن را در سلولها افزايش مي دهد و موجب افزايش بلوكه شدن سلول مي شود. بنابراين ، افزايش بلوكه شدن سلول به سيستم كامل پراكنده مي شود.             (10)                               p_h(dc…

درواقع، اگر منابع كانال به كانال m محدود شود، و به سلول جديدي براي تداخل سيستم افزوده شود. كل بار تردد از مقدار قبلي افزايش مي يابد، يعني، C برابر A‌است و به مقدار جديد (C+1) برابر A‌است . اين عمل منجر به افزايش احتمال بلوكه شدن مكالمه در كل سيستم مي شود و نتايج ذيل بدست مي آيد.

اگر سيستم سلولي ، فرضيه را در بخش 2 تاييد كند، حد پايين احتمال بلوكه شدن مكالمه با استفاده از طرح DCA مي تواند بصورت ذيل باشد.  (11)                   P_N…

جائيكه N ، اندازه خوشه است، A، بار متوسط تردد در هر سلول است و K=M/N، تعداد كانال هاي اختصاص يافته به هر سلول با استفاده از طرح FCA

«4-نتايج آماري و نتيجه گيري»

تصوير 3، حد پايين تر احتمال بلوكه شدن PCA را در مورد اندازه ي خوشه N=3 و N=1 با احتمال بلوكه شدن FCA ارائه مي دهد كه كانال هاي (K=10)10 به هرسلول اختصاص مي يابد. ديده مي شود كه حد پايين احتمال بلوكه شدن DCA به اندازه خوشه N مربوط مي شود، اگر K، ثابت باشد. حد پايين تر احتمال بلوكه شدن DCA كاهش خواهد يافت، اگر N افزايش يابد. بدين معنا كه سيستم ها داراي اندازه خوشه بزرگتر مثل سيستم هاي موبايل آنالوگ و CMS هستند. كاربرد راهبرد DCA، كارآمدي سيستم را بهبود خواهد داد. در صورتيكه در نسل جديد سيستم هاي موبايل مثل سيستم هاي CDMA ، N كمتر از 3 است كه بوسيله DCA بهبود نمي يابد.

كانال هاي 10 به هر سلول اختصاص مي يابد در تصوير ديده مي شود كه حد پايين احتمال بلوكه شدن DCA به اندازه خوشه مربوط مي شود اگر 2 / 0 ثابت باشد حد پايين احتمال بلوكه شدن DCA كاهش خواهد يافت اگر N افزايش يابد بدين معنا كه سيستم هاي داراي اندازه خوشه بزرگتر مثل سيستم هاي موبايل آنالوگ و C5M هستند كاربرد راهبرد DCA كارآمدي سيستم را بهبود خواهد داد در صورتي كه در نسل جديد سيستم هاي موبابل مثل سيستم هاي DDMAN ;ljv hc 3 hsj ;I fi ,sdgi ِ‍َ بهبود نمي يابد.

تصوير 4 -  احتمال بلوكه شدن مكالمه FCA و حد پايين احتمال بلوكه شدن DCA را در مورد اندازه خوشه 7= N و سلول – كانال 60 = K ارائه مي دهد فضاي بين دو منحني DCA–FCA در مقايسه با دو منحني تصوير 3 باريك است . تصوير 4 و 3  وقتي كه احتمال بلوكه شدن FCA  10 % است حد پايين DCA احتمال بلوكه شدن 4 % و 1/0 % است حداكثر بهبودي به وسيله DCA در حدود 9/9 % و 6/6 % است اين مسئله نشان مي دهد كه DCA به هنگام كوچكتر شدن k قابل استفاده مي باشد .

تصوير 5- مقايسه بين حد پايين احتمال بلوكه شدن DCA و احتمال بلوكه شدن الگوريتم DCA را در تحقيقات نشان مي دهد مي توان ديد كه الگوريتم DCA در تحقيقات عملكرد را در مقايسه با روش الگوريتم FCA بهبود مي بخشد بهبودي قابل ملاحظه اي در مقايسه با حد پايين احتمال بلوكه شدن DCA وجود دارد كه به وسيله معادله (1) محاسبه مي شود.

تقدير و سپاس

در اينجا تلاشهاي پروفسورگانگ مينگ چاو از دانشگاه علوم و فنون الكترونيك چيني تقدير به عمل مي آيد.