برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی شود
طراحی الگوریتم جدید زمان­بندی برای کاربران بلادرنگ و غیربلادرنگ در شبکه­های LTE
 
 
پایان­نامه کارشناسی ارشد مهندسی برق – مخابرات
 
استاد راهنما
دکتر مهدی مهدوی
 
تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
فهرست مطالب
عنـــوان                                                             صفحه
فهرست مطالب………………………………………. هشت
فهرست اشکال…………………………………….. یازده
چکیده……………………………………………… 1
1                                   فصل اول : مقدمه 2
1-1……………………………………………………………………………………………………………… مقدمه 2
1-2………………………………………………………………………………….. مشخصه­های اساسی LTE 3
1-3…………………………………………………. چالشه­های موجود و اهداف پایان­نامه 4
1-3-1…………………………………………………………… دو هدف مهم این پایان نامه 5
1-4……………………………………………………………………………………… ساختار پایان­نامه 5
2                                    فصل دوم : معرفی LTE 6
2-1……………………………………………………………………………………………………………… مقدمه 6
2-2…………………………………………………………………….. بررسی کلی ساختار شبکه LTE 6
2-2-1……………………………………………………………………………………. بخش هسته شبکه 7
2-2-2…………………………………………………………………………………………. بخش E-UTRAN 8
2-3…………………………………………………………………………………………………. ساختار فریم 9
2-3-1    FDD 9
2-3-2     TDD 10
2-3-3……………………………………………………………………………… ساختار بلوک منبع 12
2-4………………………………………………………………………………………………… لایه­ی فیزیکی 12
2-4-1…………………………………………………………………………….. روش دسترسی OFDMA 13
2-4-2………………………………………………………………………….. روش دسترسی SC-FDMA 14
2-5………………………………………………… کیفیت سرویس و کلاس‌های سرویس در LTE 15
2-5-1………………………………………………………………………………………………. مدل حامل 15
2-5-2   QCI 17
2-5-3    ARP 18
2-6…………………………………………………………………………………………………. مدل ترافیکی 18
2-6-1…………………………………. مدل ترافیکی ارسال صدا از طریق اینترنت 18
2-6-2……………………………………………………………………………. مدل ترافیکی صفحات 19
2-6-3……………………………………………………………………………. مدل ترافیکی ویدئو 20
3                                   فصل سوم زمانبندی در شبکه­های LTE 21
3-1……………………………………………………………………………………………………………… مقدمه 21
3-2….. روش های زمانبندی در زیرلایه­ی MAC شبکه­هایLTE در جهت فروسو 22
3-3……………… استراتژی­های زمانبندی برای شبکه­های LTE در جهت فروسو 23
3-3-1…………………………………………………………….. استراتژی ناآگاه از کانال 24
3-3-2………………….. استراتژی آگاه از کانال/ناآگاه از کیفیت سرویس 27
3-3-3………………………… استراتژی آگاه ازکانال /آگاه ازکیفیت سرویس 30
3-4……………………………………………….. الگوریتم­های مورد استفاده در مقایسه 33
3-4-1………………………………………………………… الگوریتم زمانبندی در دوسطح 34
3-4-2……………………………………………………………………………… الگوریتم M-EDF-PF 37
3-4-3…………………………………………………………………………………… الگوریتم FBAQ 38
4                                   فصل چهارم الگوریتم پیشنهادی و شبیه­سازی 44
4-1……………………………………………………………………………………………………………… مقدمه 44
4-2……………………………………… بیان الگوریتم پیشنهادی برای تخصیص منابع 45
4-3…………………………………………………………………… مقدمات و ملزومات الگوریتم 45
4-4……………………………………………………………………………… نوآوری های انجام شده 46
4-5……………………………………………………………………………….. پیش­نیازهای الگوریتم 47
4-6……………………………………………………………………………. شرح الگوریتم پیشنهادی 50
4-6-1………………………… تقسیم بندی کاربران بر اساس سرعت حرکت آنها 51
4-6-2……………… محاسبه­ی نرخ ارسال داده کاربران تا ایستگاه مبنا 51
4-6-3…………………………………………………………………….. محاسبه­ی اولویت هر صف 54
4-6-4……………………………………………………………………………… ساختار جدید فریم 56
4-6-5 محاسبه و تخصیص بلوک منابع مورد نیاز هر صف با توجه به تامین نیاز کیفیت سرویس کاربر 57
4-7……………………………………………………………………………………… شبیه­سازی و نتایج 62
4-7-1……………………………. نحوه­ی محاسبه­ی مقادیر محور افقی نمودارها 62
4-7-2…………………………………………………………………… ترافیک اعمالی به شبکه 65
4-8………………………………………………………….. بررسی نتایج حاصل از شبیه­سازی 66
5                                   فصل پنجم نتیجه­گیری و پیشنهادها 71
5-1………………………………………………………………………………………………………………… خلاصه 71
5-1-1………………………………………………………………. روش­های تخصیص بلوک منابع 72
5-2……………………………………………………………………………………………………… پیشنهادها 73
منابع و مآخذ 75
فهرست اشکال
عنـــوان                                                             صفحه
شکل ‏2‑1 ساختار شبکه­ی LTE 7
شکل ‏2‑2 ساختار E-UTRAN 9
شکل‏2‑3 ساختار فریم در حالت FDD 9
شکل‏2‑4 ساختار فریم در حالتTDD 11
شکل‏2‑5 ساختار یک بلوک منبع 12
شکل‏2‑6 مثالی از نحوه­ی تخصیص بلوک منابع در حالت چندگانگی فرکانسی 14
شکل‏2‑7 حامل و پارامترهای کیفیت سرویس اختصاص یافته 15
شکل‏2‑8 مدل ترافیکی ارسال صدا از طریق اینترنت 18
شکل‏2‑9 مدل ترافیکی صفحات اینترنت 19
شکل‏2‑10 مدل ترافیکی ویدئو 20
شکل ‏3‑1بلوک منابع و بازه­های زمانی ارسال 22
شکل‏3‑2 ساختار مصور الگوریتمTLS 34
شکل ‏3‑3 نحوه­ی تخصیص بلوک منبع در الگوریتم FBAQ 42
شکل‏4‑1 ساختار گسترده­ی فریم 48
شکل‏4‑2 محور زمان در ساختار 51
شکل‏4‑3بازه­های ارسال سیگنال به نویز به ایستگاه مبنا 53
شکل‏4‑4 مدل سیستم درنظرگرفته شده 54
شکل‏4‑5 شبه­کد مربوط به تعیین اولویت هر صف 56
شکل‏4‑6 یک زیر فریم از ساختار جدید فریم در جهت فراسو 57
شکل‏4‑7 شبه کد مربوط به تخصیص بلوک منبع برای بیت­های ضروری 60
شکل‏4‑12 تاخیر بسته­های وب نسبت به بیشینه تاخیر 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. از دسترسی چندگانه تقسیم فرکانسی عمود بر هم[1] در جهت [2]استفاده 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[3] 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

1               فصل اول
: مقدمه

1-1        مقدمه

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)[4] 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)[5] نام دارد. بعدها نسل 5/3 شبکه­های سلولی تحت عنوان(HSPA)[6]مطرح گردید ولی برای استفاده­ی بهینه از باند فرکانسی و نرخ ارسال بالای داده، به سمت نسل­های بعدی موبایل یعنی (LTE)[7]و(LTE-Advance)[8] 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[9]، 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

1-2         مشخصه­های اساسی LTE

با 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[10] استفاده می­کند. از جمله­ی این عملکردها می­توان به، اشتراک گذاشتن منابع، گزارش نشان­دهنده­ی کیفیت کانال[11] و روش AMC[12] 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 ‏1‑1 اهداف طراحی شبکه LTE

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 تا سرعت km/h350 و حتی با کمی 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.

1-3         چالش­های موجود و اهداف پایان­نامه

سیستم 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[13] 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[14] 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.

1-3-1        دو هدف مهم این پایان نامه

یک مطلب دیگر :

• استفاده 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.

1-4         ساختار پایان­نامه

با 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.

2               فصل دوم
: معرفی LTE

2-1         مقدمه

از 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.

2-2         بررسی کلی ساختار شبکه LTE

شکل 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 [15]و قسمت هسته­ی شبکه، EPC[16] 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 ‏2‑1 ساختار شبکه­ی LTE ]3[

2-2-1        بخش هسته شبکه

همانطور که از شکل 2-1 مشخص است، بخش هسته­ی شبکه از قسمت­های( PDN-GW ، S-GW ^[18]، 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[.
[1] Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA)
[2] downlink
[3] Scheduling
[4] Global system of mobile communication