طراحی الگوریتم جدید زمان¬بندی برای کاربران بلادرنگ و غیربلادرنگ در شبکه¬های LTE

دانشگاه صنعتی اصفهان
دانشکده برق و کامپیوتر
طراحی الگوریتم جدید زمانبندی برای کاربران بلادرنگ و غیربلادرنگ در شبکههای LTE
پایاننامه کارشناسی ارشد مهندسی برق – مخابرات
مجیدرضارضایی
استاد راهنما
دکتر مهدی مهدوی
1394

دانشگاه صنعتی اصفهان
دانشکده برق و کامپیوتر
پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق – مخابرات آقای مجیدرضارضاییتحت عنوان
طراحی الگوریتم جدید زمانبندی برای کاربران بلادرنگ و غیربلادرنگ در شبکههای LTE
در تاریخ 6 / 3 /1394 توسط کمیته تخصصی زیر مورد بررسی و تصویب نهایی قرار گرفت.
استاد راهنمای پایان نامهدکتر مهدی مهدوی
استاد داوردکتر محمدصادق فاضل
استاد داوردکتر فروغ السادات طباطبا
سرپرست تحصیلات تکمیلیدکتر محمدعلی خسروی فرد
قدردانی
ضمن سپاس از از خداوند متعال ، از استاد گرامیم جناب آقای دکتر مهدی مهدوی که در کمال سعه صدر، باحسن خلق و فروتنی، از هیچ کمکی در این عرصه بر من دریغ ننمود و زحمت راهنمایی این رساله را بر عهده گرفتند، تشکر میکنم.از اساتید محترم، جناب آقای دکتر محمدصادق فاضل و خانم دکتر فروغ السادات طباطبا که زحمت داوری این پروژه را برعهده گرفتند، سپاسگذاری میکنم. از زحمات بی دریغ خانوادهام بهخصوص ، پدر و مادرفداکار و بزرگوارم که در تمام عرصههای زندگی یار و یاوری بیچشم داشت برای من بودهاند ، تشکر میکنم.

کلیه حقوق مادی مترتب بر نتایج مطالعات، ابتکارات و نوآوریهای ناشی از تحقیق موضوع این پایاننامه متعلق به دانشگاه صنعتی اصفهان است.

تقدیم به پدرم
کوهی استوار و حامی من در طول تمام زندگی
تقدیم به مادرم
سنگ صبوری که الفبای زندگی به من آموخت
فهرست مطالب
عنـــوانصفحه
فهرست مطالبهشت
فهرست اشکالیازده
چکیده1
TOC o “1-3” h z t “Reference & Appendix,4” 1فصل اول : مقدمه PAGEREF _Toc420862429 h 21-1مقدمه PAGEREF _Toc420862430 h 21-2مشخصههای اساسی LTE PAGEREF _Toc420862431 h 31-3چالشههای موجود و اهداف پایاننامه PAGEREF _Toc420862432 h 41-3-1دو هدف مهم این پایان نامه PAGEREF _Toc420862433 h 51-4ساختار پایاننامه PAGEREF _Toc420862434 h 52فصل دوم : معرفی LTE PAGEREF _Toc420862435 h 62-1مقدمه PAGEREF _Toc420862436 h 62-2بررسی کلی ساختار شبکه LTE PAGEREF _Toc420862437 h 62-2-1بخش هسته شبکه PAGEREF _Toc420862438 h 72-2-2بخش E-UTRAN PAGEREF _Toc420862439 h 82-3ساختار فریم PAGEREF _Toc420862440 h 92-3-1FDD PAGEREF _Toc420862441 h 92-3-2TDD PAGEREF _Toc420862442 h 102-3-3ساختار بلوک منبع PAGEREF _Toc420862443 h 122-4لایهی فیزیکی PAGEREF _Toc420862444 h 122-4-1روش دسترسی OFDMA PAGEREF _Toc420862445 h 132-4-2روش دسترسی SC-FDMA PAGEREF _Toc420862446 h 142-5کیفیت سرویس و کلاس‌های سرویس در LTE PAGEREF _Toc420862447 h 152-5-1مدل حامل PAGEREF _Toc420862448 h 152-5-2QCI PAGEREF _Toc420862449 h 172-5-3ARP PAGEREF _Toc420862450 h 182-6مدل ترافیکی PAGEREF _Toc420862451 h 182-6-1مدل ترافیکی ارسال صدا از طریق اینترنت PAGEREF _Toc420862452 h 182-6-2مدل ترافیکی صفحات PAGEREF _Toc420862453 h 192-6-3مدل ترافیکی ویدئو PAGEREF _Toc420862454 h 203فصل سوم زمانبندی در شبکههای LTE PAGEREF _Toc420862455 h 213-1مقدمه PAGEREF _Toc420862456 h 213-2روش های زمانبندی در زیرلایهی MAC شبکههایLTE در جهت فروسو PAGEREF _Toc420862457 h 223-3استراتژیهای زمانبندی برای شبکههای LTE در جهت فروسو PAGEREF _Toc420862458 h 233-3-1استراتژی ناآگاه از کانال PAGEREF _Toc420862459 h 243-3-2استراتژی آگاه از کانال/ناآگاه از کیفیت سرویس PAGEREF _Toc420862460 h 273-3-3استراتژی آگاه ازکانال /آگاه ازکیفیت سرویس PAGEREF _Toc420862461 h 303-4الگوریتمهای مورد استفاده در مقایسه PAGEREF _Toc420862462 h 333-4-1الگوریتم زمانبندی در دوسطح PAGEREF _Toc420862463 h 343-4-2الگوریتم M-EDF-PF PAGEREF _Toc420862464 h 373-4-3الگوریتم FBAQ PAGEREF _Toc420862465 h 384فصل چهارم الگوریتم پیشنهادی و شبیهسازی PAGEREF _Toc420862466 h 444-1مقدمه PAGEREF _Toc420862467 h 444-2بیان الگوریتم پیشنهادی برای تخصیص منابع PAGEREF _Toc420862468 h 454-3مقدمات و ملزومات الگوریتم PAGEREF _Toc420862469 h 454-4نوآوری های انجام شده PAGEREF _Toc420862470 h 464-5پیشنیازهای الگوریتم PAGEREF _Toc420862471 h 474-6شرح الگوریتم پیشنهادی PAGEREF _Toc420862472 h 504-6-1تقسیم بندی کاربران بر اساس سرعت حرکت آنها PAGEREF _Toc420862473 h 514-6-2محاسبهی نرخ ارسال داده کاربران تا ایستگاه مبنا PAGEREF _Toc420862474 h 514-6-3محاسبهی اولویت هر صف PAGEREF _Toc420862475 h 544-6-4ساختار جدید فریم PAGEREF _Toc420862476 h 564-6-5محاسبه و تخصیص بلوک منابع مورد نیاز هر صف با توجه به تامین نیاز کیفیت سرویس کاربر PAGEREF _Toc420862477 h 574-7شبیهسازی و نتایج PAGEREF _Toc420862478 h 624-7-1نحوهی محاسبهی مقادیر محور افقی نمودارها PAGEREF _Toc420862479 h 624-7-2ترافیک اعمالی به شبکه PAGEREF _Toc420862480 h 654-8بررسی نتایج حاصل از شبیهسازی PAGEREF _Toc420862481 h 665فصل پنجم نتیجهگیری و پیشنهادها PAGEREF _Toc420862482 h 715-1خلاصه PAGEREF _Toc420862483 h 715-1-1روشهای تخصیص بلوک منابع PAGEREF _Toc420862484 h 725-2پیشنهادها PAGEREF _Toc420862485 h 73منابع و مآخذ PAGEREF _Toc420862486 h 75
فهرست اشکال
عنـــوانصفحه
TOC h z c “Figure” شکل ‏21 ساختار شبکهی LTE PAGEREF _Toc420862338 h 7شکل ‏22 ساختار E-UTRAN PAGEREF _Toc420862339 h 9شکل‏23 ساختار فریم در حالت FDD PAGEREF _Toc420862340 h 9شکل‏24 ساختار فریم در حالتTDD PAGEREF _Toc420862341 h 11شکل‏25 ساختار یک بلوک منبع PAGEREF _Toc420862342 h 12شکل‏26 مثالی از نحوهی تخصیص بلوک منابع در حالت چندگانگی فرکانسی PAGEREF _Toc420862343 h 14شکل‏27 حامل و پارامترهای کیفیت سرویس اختصاص یافته PAGEREF _Toc420862344 h 15شکل‏28 مدل ترافیکی ارسال صدا از طریق اینترنت PAGEREF _Toc420862345 h 18شکل‏29 مدل ترافیکی صفحات اینترنت PAGEREF _Toc420862346 h 19شکل‏210 مدل ترافیکی ویدئو PAGEREF _Toc420862347 h 20شکل ‏31بلوک منابع و بازههای زمانی ارسال PAGEREF _Toc420862348 h 22شکل‏32 ساختار مصور الگوریتمTLS PAGEREF _Toc420862349 h 34شکل ‏33 نحوهی تخصیص بلوک منبع در الگوریتم FBAQ PAGEREF _Toc420862350 h 42شکل‏41 ساختار گستردهی فریم PAGEREF _Toc420862351 h 48شکل‏42 محور زمان در ساختار PAGEREF _Toc420862352 h 51شکل‏43بازههای ارسال سیگنال به نویز به ایستگاه مبنا PAGEREF _Toc420862353 h 53شکل‏44 مدل سیستم درنظرگرفته شده PAGEREF _Toc420862354 h 54شکل‏45 شبهکد مربوط به تعیین اولویت هر صف PAGEREF _Toc420862355 h 56شکل‏46 یک زیر فریم از ساختار جدید فریم در جهت فراسو PAGEREF _Toc420862356 h 57شکل‏47 شبه کد مربوط به تخصیص بلوک منبع برای بیتهای ضروری PAGEREF _Toc420862357 h 60شکل‏412 تاخیر بستههای وب نسبت به بیشینه تاخیر PAGEREF _Toc420862358 h 68
چکیده
با رشد سریع کاربران اینترنت و سرویسهای بلادرنگ نظیر صدا و تصویر و نیاز به برآورده کردن کیفیت سرویس مورد نیاز کاربران از نسل بعدی شبکههای سلولی انتظار میرود که دسترسی در همه نقاط را برای کاربران موبایل فراهم کند. LTE یک تکنولوژی دسترسی رادیویی جدید میباشد که به منظور یک حرکت به سمت نسل بعدی سیستمهای بیسیم پیشنهاد شده است. LTE از دسترسی چندگانه تقسیم فرکانسی عمود بر هم در جهت فروسواستفاده میکند. دسترسی مالتی پلکس فرکانس عمود بر هم کل پهنای باند را به چندین زیرکانال با باند باریک تقسیم میکند و به کاربران براساس نیازهایشان این زیرحاملها را تخصیص میدهد. یکی از ویژگیهای اصلی LTE استفاده از روشهای مدیریت منابع رادیویی پیشرفته به منظور بهینه کردن عملکرد سیستم است به نحوی که بیشترین تعداد بیت ارسال گردد.
برای فراهم کردن کیفیت سرویس کاربران، الگوریتمهای زمانبندی برای رفع نیازهای کاربران، طراحی شدهاند. زمانبندی در شبکههایLTE مسئول توزیع منابع میان کاربران فعال به منظور فراهم آوردن کیفیت سرویس مورد نیاز میباشد.در این الگوریتمها، معمولا کاربرد سرویسهای بلادرنگ ودر بعضی دیگر از الگوریتمها کاربرد هر دو نوع سرویس بلادرنگ و غیربلادرنگ در نظر گرفته شده است. در مواردی هم که هر دو کاربرد بلادرنگ و غیر بلادرنگ در نظر گرفته شده، به سرعت های متفاوت کاربران هیچ توجهای نشده و فقط برای گروه کاربران با سرعت های حرکت پایین (حداکثر30 کیلومتر بر ساعت) توجه شده است. در صورتی که این مهم میباشد که الگوریتم به گونهای عمل کند که با افزایش سرعت،کیفیت سرویس کاربر به مخاطره نیفتد. در این پایان نامه تلاش شده تا الگوریتمی طراحی شود که کیفیت سرویس را برای کاربران با سرعت های مختلف فراهم آورده و نرخ ارسال شبکه را افزایش دهد. همچنین در سرعتهای پایین در مقایسه با سایر الگوریتمهاعملکرد بهتری داشته باشد. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی الگوریتم پیشنهادی با الگوریتم های موجود نشان دهندهی آن است که نرخ ارسال شبکه در الگوریتم پیشنهادی افزایش یافته و به دلیل انتخاب معیار مناسب برای تخصیص بلوک منبع به کاربر، پارامترهای کیفیت سرویس بهبود یافته اند.
کلمات کلیدی: LTE، زمانبندی، مدیریت منابع رادیویی، کیفیت سرویس، OFDMA، سرویسهای بلادرنگ و غیر بلادرنگ
فصل اول: مقدمهمقدمه
اولین شبکههای مخابراتی سلولی موسوم به G1 در اوایل سال 1980 معرفی شدند. این نسل از مخابرات سلولی از مدولاسیون آنالوگ استفاده میکرد. در اوایل سال 1990 نسل دوم مخابرات سلولی معرفی شدند. این نسل، اولین نسلی بود که از تکنیکهای مخابرات دیجیتال استفاده میکرد. اولین سیستم تجاری نسل دوم با نام (GSM) گسترش یافت. پس از چندی نسل سوم بعد از سال 2000 میلادی معرفی شد. نسل سوم افزایش سرعت اطلاعات را به همراه داشت. مهمترین اسم تجاری برای نسل سوم، (UMTS) نام دارد. بعدها نسل 5/3 شبکههای سلولی تحت عنوان(HSPA)مطرح گردید ولی برای استفادهی بهینه از باند فرکانسی و نرخ ارسال بالای داده، به سمت نسلهای بعدی موبایل یعنی (LTE)و(LTE-Advance) گام برداشته شد.
اولین سیستم تجاری LTE در دو کشور ناحیهی اسکاندیناوی، به نامهای نروژ و بلژیک در دسامبر سال 2009 توسط اپراتور TeliaSonera پیادهسازی شد. این کار به کمک قطعات سختافزاری که توسط 3 شرکت بزرگ سامسونگ، اریکسون و هوآوی ساخته شده بود، انجام گرفت. در فوریه سال 2010 اپراتور EMT در کشور استونی تست LTE را انجام داد. سیستم مشابهی در جولای همان سال در کشور ازبکستان در شهر تاشکند توسط اپراتور MTS اجرا گردید. در آگوست همان سال اپراتور LMT سیستم LTE را به صورت آزمایشی در نیمی از کشور لتونی پیادهسازی نمود. در 5 دسامبر 2010 اپراتور Verizon بزرگترین شبکه تجاری LTE را در آمریکای شمالی پیادهسازی نمود. در سال 2011 اپراتورهای سعودی اعلام کردند که تا سال 2013 به کاربران خود خدمات شبکه LTE را ارائه خواهند داد. این روند همچنان ادامه یافتهاست بهصورتی که تاکنون در کشورهایی نظیر آمریکا، برزیل، فیلیپین، عمان، استرالیا، رومانی، هلند و… شبکه LTE راهاندازی شده است. طبق آمار تا سال 2012حدود 5 میلیاردکاربر مخابرات سلولی اعم از سیستمهای دسترسی چندگانه تقسیم کد پهن باند، GSM، HSPA وLTE در دنیا وجود داشتهاند که سهم کاربران شبکهی LTE برابر 90.5 میلیون کاربر بوده است. با توجه به اینکه نسل سوم تقریبا جوابگوی نیاز کاربران بوده ولی به دلایل زیر نسل چهارم بوجود آمده و نسل سوم به نسل چهارم تغییر یافته است]1[:
بهبود نرخ داده
بهبود بهرهی طیفی
کاهش توان مصرفی ترمینال
افزایش نرخ داده در لبههای سلول
کاهش تاخیر در ارسال و پایهگذاری یک اتصال
کاهش هزینهها
مشخصههای اساسی LTEبا توجه به افزایش کاربران استفاده کننده از شبکهی LTE ، محققان و مراکز صنعتی در تلاش برای یافتن راهحلهای جدید و ابتکاری به منظور تجزیه و تحلیل و بهبود عملکردشبکههایLTE میباشند. همانطور که بیان گردید هدف از طراحی شبکهی LTE فراهم آوردن نرخ بالای اطلاعات، کاهش تاخیر و مهیا نمودن کارایی طیف بالا میباشد. برای رسیدن به این اهداف مدیریت منابع رادیویی، از عملکردهای لایهی فیزیکی و زیرلایهی کنترل دسترسی استفاده میکند. از جملهی این عملکردها میتوان به، اشتراک گذاشتن منابع، گزارش نشاندهندهی کیفیت کانال و روش AMC اشاره نمود. در حقیقت استفادهی موثر از منابع رادیویی برای نایل آمدن به اهداف عملکرد سیستم و راضی کردن نیازهای کاربر مطابق با کیفیت سرویسشان مهم میباشد. به صورت خلاصه مشخصات شبکهی LTE در جدول1-1 آمده است]2[:
جدول STYLEREF 1 s ‏1 SEQ Table * ARABIC s 1 1 اهداف طراحی شبکه LTE
ویژگی مشخصه مشخصات
فروسو:100مگا بیت بر ثانیه، فراسو:50 مگا بیت بر ثانیه حداکثر نرخ اطلاعات
2تا 4 برابر سیستمهای نسل سوم کارایی پهنای باند
– برای تحرک پایین تا 15 کیلومتر بر ساعت بهینه شده است
– برای سرعتهای تا 120 کیلومتر بر ساعت عملکرد بالایی دارد تحرک
از 4/1مگاهرتز تا 20 مگاهرتز پهنای باند قابل مقیاس
– ضمانت برای کیفیت سرویس انتها به انتها افزایش یافته است
مدیریت منابع رادیویی
در واقع نرخ داده بالا در LTE با پوشش خوب و قابلیت تحرک پذیری همراه میباشد. در شبکه LTE نه تنها نرخ ارسال و دریافت داده برای کاربران عادی افزایش پیدا کرده، بلکه برای کاربرانی که در لبهی سلول قرار دارند نیز این افزایش مشاهده میشود. منظور از تحرکپذیری برقراری ارتباط برای موبایل در حال حرکت است که در استاندارد LTE تا سرعت km/h350 و حتی با کمی

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *