بلوک، LTE، میلیثانیه، s، فراسو، شبکههای

افت کیفیت، تا سرعت km/h 500 قابلیت برقراری ارتباط وجود دارد. استاندارد LTE در مقایسه با استانداردهای دیگر این ویژگی را دارد که رنج وسیعی از پهنای باندهای فرکانسی را پوشش میدهد.
چالشهای موجود و اهداف پایاننامهسیستم OFDMA از تقسیم محور زمانی و زیرحاملها در حوزهی فرکانس ایجاد میگردد. در نتیجه این تقسیم روی محور زمان و فرکانس، بخشهایی به نام بلوک تشکیل میگردد. در واقع بلوک کوچکترین واحد تشکیلدهندهی سیستم OFDMA میباشد. با توجه به اینکه در لایهی فیزیکی شبکههای LTE از OFDMA استفاده میشود. باید به طریقی بلوکهای این سیستم بین کاربران تقسیم شود تا دو هدف مهم یعنی تامین کیفیت سرویس کاربران و افزایش نرخ ارسال شبکه برآورده شود. نحوهی تخصیص بلوک و زمانبندی در شبکههای LTE به این صورت است که در هر یک میلیثانیه مطابق با الگوریتم زمانبندی یک و یا چندین کاربر انتخاب شده و به یکی از دو روش چندگانگی چندکاربره که برای کاربرانی مناسب است که در طول این یک میلیثانیه همبستگی کانالشان حفظ میگردد و بلوک را در به صورت پیوسته به کاربر تخصیص میدهد و روش چندگانگی فرکانسی که برای کاربرانی مناسب است که در این مدت یک میلیثانیه همبستگی کانالشان تغییر میکند و بلوک را به صورت توزیعیافته به کاربران تخصیص میدهد، بلوک دریافت میکنند. برای تخصیص بلوک همانطور که بیان خواهد گردید دو روش MUD و FD وجود دارد. با توجه به اینکه شرایط کانال کاربران با سرعت تغییر میکند ولی در الگوریتمهای زمانبندی موجود بدون توجه به سرعت حرکت کاربران تخصیص بلوک فقط به روش MUD صورت گرفته است. ولی در این پایاننامه کاربرانی که سرعت بالای 135کیلومتر بر ثانیه دارند (مانند قطار سریعالسیر) و در مدت یک میلیثانیه شرایط کانال یکسانی ندارند نیز مورد بررسی قرار گرفتهاند. تفاوت الگوریتم پیشنهادی با دیگر الگوریتمها در روش تخصیص بلوک میباشد و این امر با ارائه فریم جدید مهیا شده است. لازم به ذکر است که این عمل باعث افزایش نرخ ارسال شبکه شده است.
دو هدف مهم این پایان نامهاستفاده از مزایای لایهی فیزیکی و زیر لایهی MAC: در این پایاننامه الگوریتمی ارائه میشود که کاربرانی که در مدت زمان یک میلیثانیه دارای کانال همبستهای نیستند، به نحوی بلوک دریافت میکنند که نرخ ارسال شبکه برای این گروه از کاربران نسبت به الگوریتمهای دیگر بیشتر است. نتایج شبیهسازی در فصل چهارم دلیلی بر این ادعا است.
تامین کیفیت سرویس کاربران: تامین کیفیت سرویس کاربران نیز بوسیلهی الگوریتم زمانبندی ارائه شده صورت میگیرد. در همین راستا پارامترهای کیفیت سرویس نظیر تاخیر شبکه و نرخ از دست رفتن بسته نسبت به الگوریتمهای دیگر بهبود مییابد.
ساختار پایاننامهبا توجه به مطالب فوق ساختار پایاننامه باید به گونه باشد که مطالب بیان شده را پوشش دهد. همچنین باید مطالب دیگری ابتدا برای فهم بیشتر بیان گردد. در همین راستا ساختار پایاننامه به اینگونه است که در فصل دوم ساختار شبکهی LTE، لایهی فیزیکی، روشهای تخصیص بلوک منبع به کاربر، کیفیت سرویس و ترافیکهای مورد استفاده در شبیهسازی بیان شدهاند. در فصل سوم زمانبندی در شبکههای LTE و انواع استراتژیها و نمونههایی از الگوریتمهای زمانبندی موجود در هر استراتژی بیان شدهاند و در بخش آخر این فصل نیز الگوریتمهایی که با الگوریتم پیشنهادی مقایسه شدهاند به صورت مفصل بیان شدهاند. در فصل چهارم الگوریتم پیشنهادی بیان شده و در بخش آخر این فصل نیز نتایج شبیهسازی آورده شده است. در نهایت نیز در فصل پایانی این پایاننامه نتیجهگیری و پیشنهادهایی برای ادامهی کار بیان شدهاست.
فصل دوم: معرفی LTEمقدمهاز عوامل مهم در شبکه میتوان به، ساختار شبکه و اجزای بهکار رفته در شبکه و عملکرد این اجزا اشاره کرد. به همین علت آگاهی از ساختار شبکه و نحوهی عملکرد اجزای شبکه از اهمیت زیادی برخوردار است. در همین راستا در این فصل ساختار شبکه و اجزای آن و عملکردشان بیان خواهد شد. برای بیان این موضوعات ساختار فصل به این صورت شکل میگیرد که در بخش 2-2 بررسی کلی ساختار شبکه LTE، در بخش 2-3 ساختار فریم، در بخش 2-4 لایهی فیزیکی، در بخش 2-5 کیفیت سرویس در شبکههای LTE و در نهایت در بخش 2-6 مدل ترافیکی مورد استفاده در شبیهسازی بیان خواهد شد.
بررسی کلی ساختار شبکه LTEشکل 2-1 مدل مرجع شبکهی LTE که را نشان میدهد. معماری شبکه دارای دو قسمت به نامهای دسترسی شبکه و هستهی شبکه میباشد. قسمت دسترسی شبکه E-UTRAN و قسمت هستهی شبکه، EPC نامیده میشود. E-UTRAN تنها از یک گره یعنی ایستگاه مبنا تشکیل شده است و کاربران که در اطراف ایستگاه مبنا در حرکتند. ساختار EPC تماما IP بوده و به صورت سوییچ بستهای عمل میکند. ساختار مبتنی بر IP بدین معناست که انتقال ترافیک از کاربر به مقصد مورد نظر بوسیلهی پروتکل IP انجام میشود. EPC برای ضمانت دسترسی به شبکههای non-3GPP طراحی شده است. نکتهی مهم این میباشد که EPCو E-UTRAN با یکدیگر EPS یعنی ساختار کلی شبکه را تشکیل میدهند. به صورت کلی هر دو بخش E-UTRAN و EPC عملکردهای زیادی نظیر موارد زیر را دارا میباشند:
عملکردهای کنترل دسترسی شبکه
عملکردهای انتقال و مسیریابی بسته
عملکردهای مدیریت تحرک
عملکردهای امنیت
عملکردهای مدیریت منابع رادیویی
عملکردهای مدیریت شبکه

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ Figure * ARABIC s 1 1 ساختار شبکهی LTE ]3[بخش هسته شبکه
همانطور که از شکل 2-1 مشخص است، بخش هستهی شبکه از قسمتهای( PDN-GW، S-GW ، MME ، HSS ، PCRF ) تشکیل شده است]4[.
وظایف واحدهای بیان شده به این صورت است که، واحد PCRF وظیفهی کنترل مدیریت کیفیت سرویس و ایجاد سیاست های مربوط به کیفیت سرویس را دارا است.
واحد HSS وظیفهی ذخیرهسازی اطلاعات کاربران نظیر شناسهی کاربران و اطلاعات ثبت کاربران را برعهده دارد. واحد MME وظیفهی برقراری ارتباط با HSS به منظور تایید هویت کاربر و بارگزاری پروفایل کاربر و کنترل تمامی عملیات مربوط به ذات متحرک بودن کاربر را بر عهده دارد. واحد S-GW ، تمام دادههای کاربر از این واحد عبور میکنند و این واحد موظف است بستههای ارسالی کاربر را مسیریابی کند همچنین وظیفهی برقراری ارتباط با دیگر شبکهها که براساس استاندارد 3GPP نیستند را نیز بر عهده دارد. واحد PDN-GW وظیفهی تخصیص آدرس IP به کاربران و ارتباط با شبکههای دیگر که بر اساس استاندارد 3GPP را بر عهده دارد]4[.
بخش E-UTRAN
E-UTRAN یک واسط هوایی دسترسی رادیویی است که نرخ بالای داده و تاخیرکم را فراهم میآورد. این واسط از دسترسی رادیویی OFDMA در جهت فروسو و از دسترسی فرکانسی تک حاملی عمود بر هم در جهت فراسو استفاده میکند. ساختار E-UTRAN در LTE شامل یک گره به نام eNodeB یا بطور اختصار eNB و کاربران است. همچنین در این ساختار دو واسط S1 و X2 به ترتیب برای ارتباط بین eNB با واحد MME و ارتباط eNBها با یکدیگر مورد استفاده قرار میگیرد. هدف اصلی این سادهسازی، کاهش افزونگی همهی عملکردهای واسط رادیویی است. درواقع این ایستگاهها همان ایستگاه مبنادر شبکهی WiMAX هستند که مستقیما با کاربران درون سلول مربوطه در ارتباط هستند. از وظایف ایستگاه مبنا میتوان به مدیریت منابع رادیویی و برقراری لینک رادیویی بین شبکه و کاربر و تخصیص منابع رادیویی به کاربر اشاره کرد. همانطور که در شکل 2-2 مشاهده میشود، در بخش دسترسی شبکه هیچ مرکز کنترل کنندهای وجود ندارد، چون برخی از وظایف کنترلی به ایستگاههای مرکزی واگذار شده است. بنابراین برای کنترل سلولها به دسترسی به سطوح بالاتر نیازی نیست. به همین دلیل گفته میشود که ساختار E-UTRAN مسطح است.
شکل 2-2 ساختار این بخش و اجزایش را نشان میدهد:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ Figure * ARABIC s 1 2 ساختار E-UTRAN ]5[ساختار فریم
در استاندارد 3GPP برای شبکههای LTE دو نوع ساختار فریم به ترتیب FDD و TDD تعریف میشود.
FDDدر این ساختار فریم ارسال در دو طیف فرکانسی مجزا در فراسو و فروسو انجام میشود و علی رغم نوع دسترسی متفاوت در فراسو و فروسو، این دو بخش ساختار فریم مشابهی دارند. ساختار فریم در شکل2-3 قابل مشاهده است]6[:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ Figure * ARABIC s 1 3 ساختار فریم در حالت FDDبا توجه به شکل 2-3، فریم در حالت FDD از 10 زیرفریم تشکیل شده است که هر زیر فریم نیز دارای دو شکاف زمانی است. در LTE هر شکاف زمانی بلوک منبع نامیده میشود. با توجه به شکل مقدار Ts که یک عامل زمانی بوده، برابر با (15000×2048)/1 است. مقادیر 2048 و 15000 نیز به ترتیب برابر با بیشترین اندازه FFT و حداکثر فاصلهی بین زیرحاملها در این استاندارد هستند. طول فریم نیز در این استاندارد برای هر دو جهت فروسو و فراسو برابر با Ts ×307200 معادل با 10 میلیثانیه است. با توجه به اینکه یک فریم از 10 زیر فریم تشکیل شده است، هر زیر فریم طولی برابر با 1 میلیثانیه خواهد داشت. از آنجا که هر زیر فریم متشکل از دو بلوک منبع است، طول هر بلوک منبع برابر با 5/0 میلیثانیه خواهد بود.
TDD
در این حالت هر فریم از دو نیم فریم تشکیل شده است که طول هر نیم فریم برابر با 5 میلیثانیه است. هر نیم فریم از 5 زیر فریم به طول 1 میلیثانیه تشکیل شده است. زیر فریمها از 0 تا 9 شمارهگذاری شدهاند و هر زیر فریم نیز شامل دو بلوک منبع بوده و طول هرکدام برابر با 5/0 میلیثانیه است. در این ساختار فریم، سه ناحیه خاص به نامهای DwPTS، GP و UpPTS وجود دارد. DwPTSبرای ارسال در جهت فروسو، UpPTS برای ارسال در جهت فراسو و GP نیز یک فاصلهی ارسال است که بین این دو حالت قرار گرفته است. این سه ناحیه در زیر فریمهای 1 و 6 که برای این سه ناحیه از پیش انتخاب شدهاند، قرار می گیرند. شکل 2-4 این ساختار را به تصویر کشیده است. همچنین نحوهی استفاده از زیرفریمها دارای 7 حالت است که در جدول2-1 بیان شده است:
جدول STYLEREF 1 s ‏2 SEQ Table * ARABIC s 1 1 حالات مختلف قرارگیری زیرفریمها]6[
شماره زیر فریم
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 شماره حالت
U U U S D U U U S D 0
D U U S D D U U S D 1
D D U S D D D U S D 2
D D D D D U U U S D 3
D D D D D D U U S D 4
D D D D D D D U S D 5
D U U S D U U U S D 6
در جدول 2-1، D بیانگر زیر فریم مورد استفاده برای ارسال در جهت فروسو، U بیانگر زیرفریم مورد استفاده برای ارسال در جهت فراسو و S نیز زیر فریم مورد استفاده برای حالتهای بیان شده است.
در این حالت ارسال در بخش فراسو و فروسو در حوزهی زمان جدا میشود که در شکل 2-4 این پیکربندی نشان داده شده است]6[:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ Figure * ARABIC s 1 4 ساختار فریم در حالتTDD ]6[همانطور که از شکل 2-4 مشخص است، هر فریم در حالت TDD دارای دونیم فریم و هر نیم فریم نیز شامل پنج زیرفریم است. طول فریم TDD همانند FDD برابر Ts ×307200 معادل 10 میلیثانیه بوده و طول هر نیم فریم آن نیز برابر با 5 میلیثانیه است.
تخمین کانال در شبکههای LTE مطابق با ]7[ به پایلوت در سمبلهای اطلاعات وابسته است. در نتیجه، بیشینه تاخیر انتشار که میتواند حدود 11/11 میکروثانیه به عنوان پایلوت فاصله در حوزهی فرکانس تخمین زده شود. در LTE پایلوتها در همهی سمبلهای OFDM ارسال نمیشود. سمبلهایی که پایلوتها را حمل میکنند دارای فاصلهی زمانیای برابر با 42/71*4 میکروثانیه هستند که بر این اساس بیشینه گسترش داپلر که یتواند در تخمین کانال نوسان داشته باشد حدود 5/3کیلوهرتز است. بنابراین با درنظرگرفتن هردوی پایلوتهای حملکنندهی سیگنال، که پایلوتها در شرایط زیرحامل به تناوب کار کردهاند حدود 22 میکروثانیه بدست میآید. در LTE بیشینه فرکانس آفست قابل نوسان برابر با + یا – 45/13 کیلوهرتز است.
با توجه به دو حالت فریم بیان شده، لازم به ذکر است که در اینپایاننامه مشابه با دیگر الگوریتمهای زمانبندی از فریم حالت FDD استفاده شده است. علاوه بر این با توجه به اینکه در حالت TDD از تمام زیر فریمها برای ارسال در جهت فروسو نمیتوان استفاده کرد و هدف در این پایاننامه ارسال در جهت فروسو است، لذا باعث میشود که در بعضی از زیرفریمها ارسالی صورت نگیرد و این عمل باعث افزایش تاخیر کاربران شود.
ساختار بلوک منبع در ساختار فریم LTE کوچکترین واحد قابل تخصیص به کابران بلوک منبع نامیده میشود. بلوک منبع از12 زیر حامل کنار هم به عنوان یک واحد در حوزهی فرکانس و 7 سمبل OFDM در حوزهی زمان تشکیل شده است. با توجه به اینکه در یک فریم 20 بلوک منبع وجود دارد لذا یک فریم شامل 140 سمبل زمانی OFDM بوده و تعداد زیرحاملها در حوزهی فرکانس نیز وابسته به تعداد بلوک منابع قرار گرفته وابسته به پهنای باند در حوزهی فرکانس متغیر است]7[. شکل2-5 نشاندهندهی یک بلوک منبع و زیرحاملها و سمبلهای OFDM تشکیلدهندهی آن است:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ Figure * ARABIC s 1 5 ساختار یک بلوک منبعلایهی فیزیکیلایهی فیزیکی در شبکهی LTE در بخش انتقال فروسو، از ایستگاه مبنا تا کاربر و در بخش فراسو، از کاربر تا ایستگاه مبنا را شامل میباشد. این لایه داده و اطلاعات کنترلی را بین ایستگاه مبنا و کاربر حمل میکند. لایهی فیزیکی از تکولوژیهای پیشرفته شاملOFDMو MIMOکه در شبکهی سلولی جدید کاربرد دارد، استفاده میکند. به علاوه لایهی فیزیکی از دسترسی OFDMAدر جهت فروسو و SC-FDMAدر جهت فراسو استفاده میکند. OFDMA به علت PAPR زیادی که تولید میکند نمیتواند در جهت فراسو استفاده شود، زیرا در اینصورت تمام دستگاههای مورد استفاده باید در رنج وسیعی دارای تقویتکنندههایی به صورت خطی، باشند. این موضوع افزایش هزینه در دستگاههای موبایل را در پی دارد. به همین علت از مدولاسیون SC-FDMA به علت اینکه PAPR زیادی تولید نمیکند، در جهت فراسو استفاده میشود]8[.
روش دسترسی OFDMA
همانطور که بیان گردید، در شبکههای LTE در جهت فروسو از روش دسترسی OFDM

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 *