طبقه ­بندی نوع منابع
کاربران بر اساس نوع ترافیک و سرویسی که دارند مطابق با جدول۳-۲ به دو گروه دسته­بندی می­شوند که شامل دو گروه کلی GBRو Non-GBR تقسیم می­شوند که هر گروه می ­تواند به سرویس­ متفاوت براساس ویژگی­های سرویس تقسیم شود. سرویس­های ضمانت­کننده­ نرخ بیت به تاخیر حساس هستند به همین علت اگر بسته­ای که از نوع سرویس­های ضمانت­کننده­ نرخ بیت باشد، در زمانی بیشتر از مدت زمانی که برای آن بسته­ها مطابق با جدول مشخص شده است، دریافت شوند، از بین می­روند. به صورت کلی، سرویس­های GBR دارای اولویت بالاتری نسبت به سرویس­های Non-GBR می­باشند. در سیستم طراحی شده برای این الگوریتم سرویس­ها به دو گروه تقسیم می­شوند که این دو گروه شامل سرویس­های حساس به تاخیر که زیر گروه سرویس­های GBR و سرویس­های Non-GBR می­باشد. در محاسبه­ی تعداد بلوک منابع مورد نیاز، ابتدا تقاضای بسته­های ضمانت­کننده­ نرخ بیت باید درنظر گرفته شود و بعد از این سرویس­ها باید سرویس­های عدم ضمانت نرخ بیت را در نظر گرفت که این سرویس­ها بر اساس بیشینه نرخ بیت بلوک منبع تخصیص خواهد یافت.

قرار دادن سرویس­ها در صف­های متفاوت سرویس­های متفاوت
سرویس­های طبقه ­بندی شده در قسمت قبل درون صف­های مختلف برای دریافت بلوک منبع منتظر می­مانند. در مورد سرویس­های عدم ضمانت نرخ بیت، کاربران دارای این سرویس انتخاب شده و در صف­های مخصوص به خود که به صورت FIFO عمل می­ کنند، قرار می­گیرند و بعد از آن سرویس­های مربوط به ضمانت­کننده­ نرخ بیت انتخاب شده و در صف­های مخصوص خود قرار می­گیرند تا براساس الگوریتم AMLWDF که در ادامه بیان می­ شود انتخاب شده و بلوک منبع دریافت کنند.
محاسبه­ی تعداد بلوک منابع رزرو شده برای هر نوع سرویس
برای مطمئن شدن از این­که هر نوع سرویس تعداد بلوک منابع مناسب را در هر مرحله از تخصیص منابع دارد، سیستم برای هر نوع سرویس عمل رزرو بلوک منابع را انجام می­دهد. در ابتدا تعداد بلوک منابع مورد نیاز برای
سرویس­های عدم ضمانت­کننده­ محاسبه می­ شود. بعد از آن تعداد بلوک منابع برای کاربران بلادرنگ بدست می ­آید. تعداد بلوک منابع رزرو شده برای هر نوع سرویس براساس رابطه­ ۳-۳۳ محاسبه می­ شود:
(۳-۳۳)
در رابطه ۳-۳۳، بیانگر تعداد بلوک رزرو شده برای کاربران غیربلادرنگ و برابر با تعداد بلوک منابع رزرو شده برای کاربران بلادرنگ می­باشد. همچنین بیانگر تعداد بلوک منابع در حوزه­ فرکانس که براساس پهنای باند مطابق با جدول۳-۳ مشخص می­شوند، است.
AMLWDF براساس اولویت
در کنترل پذیرش^[۷۷]باید بلوک منابع تخصیص یافته درون کل پهنای باند در دسترس محدود نمود. تعداد بلوک منابع تخصیص محاسبه شده براساس پهنای باند در زمان را نشان می­دهد، تعداد بلوک منابع مورد نیاز کاربر u در زمان j و تعداد کل بلوک منابع است. هنگامی که یک سرویس جدید توسط یک کاربر درخواست می­ شود، کنترل پذیرش از فرمول زیر استفاده می­ کند تا بررسی کند که آیا از صفر بزرگتر است.
(۳-۳۴)
اما در سیستم­های ارتباط بی سیم، پهنای دردسترس نمی­تواند تنها عامل برای پذیرش کنترل باشد. به همین علت باید کیفیت کانال بین کاربر و eNB را نیز به عنوان عاملی در نظر گرفت. CQI یک استاندارد برای اندازه ­گیری کیفیت کانال در ارتباطات بی­سیم می­باشد. مقدار CQI بالاتر نشان­دهنده کیفیت کانال بهتر می­باشد. کاربری که کیفیت کانال بالاتری دارد می ­تواند از تکنیک­های مدولاسیون بالاتری نظیر QAM استفاده کنند و به همین علت با نرخ بالاتری ارسال را انجام می­ دهند. کاربرانی که شرایط کانال ضعیف­تری دارند، از تکنیک مدولاسیون پایین­تری مانند QPSK استفاده می­ کنند و در نتیجه با نرخ اطلاعات کمتری ارسالشان را انجام می­ دهند. براساس تحقیقات به عمل آمده می­توان نشان داد که نسبت سیگنال به نویز با CQI نسبت دارد و کاربران با CQI بالاتر می­توانند از سطح بالاتری از مدولاسیون برای بدست­آوردن نرخ کد بالاتر و کارایی بالاتر استفاده کنند. دراین الگوریتم فرمولی که برای کاربران با سرویس ضمانت­کننده­ نرخ بیت استفاده می­ شود از عواملی مانند زمان تاخیر، متوسط نرخ ارسال، محدودیت تاخیر ارسال بسته و اولویت استفاده می­ کند. این رابطه معیار مورد نظر برای کاربر ام در زیر کانال را به صورت رابطه­ ۳-۳۵ مشخص می­ کند:
(۳-۳۵)
در رابطه­ فوق پارامترها به صورت زیر تعریف می­شوند:
: نرخ ارسال آنی کاربر kام در زمان ، : متوسط نرخ ارسال کاربر kام، : پارامتر تاخیر کیفیت سرویس کاربر kام، : محدودیت تاخیر کاربر kام، : زمان تاخیر کاربر kام، : اولویت کاربر kام
نحوه­ تخصیص بلوک منابع به کاربران در این الگوریتم این­گونه است که در ابتدای هر بازه­ی زمان­بندی به تعداد بلوک منابع رزرو شده برای کاربران بلادرنگ از کاربران بلادرنگ با بالاترین معیار محاسبه شده، انتخاب شده و به این کاربران به ترتیب اولویتشان در زیرکانال­هایی که بهترین شرایط را دارا می­باشند دو بلوک منبع تخصیص می­یابد و در مورد کاربران غیربلادرنگ نیز به تعداد بلوک منابع رزرو شده برای کاربران غیربلادرنگ از بین کاربران با بیشترین مقدار معیار انتخاب شده و در زیرکانالی که بهترین شرایط را دارا می­باشند، دو بلوک منبع دریافت می­ کنند. شکل ۳-۳ مثالی از نحوه­ تخصیص بلوک منابع به کاربران را نشان می­دهد:
شکل ‏۳‑۳ نحوه­ تخصیص بلوک منبع در الگوریتم FBAQ
شکل۳-۳ در مورد نحوه­ تخصیص بلوک منابع به کاربران در یک بازه­ی زمانی ارسال را نشان می­دهد. همانطور که از شکل مشخص است کاربران به سه دسته شامل کاربران دارای کلاس سرویس ضمانت­کننده­ نرخ بیت، عدم ضمانت نرخ بیت و کاربران دارای ترافیک سیگنالینگ^[۷۸] می­باشند که لازم به ذکر است که چون الگوریتم­های مقایسه شده با الگوریتم پیشنهادی و همچنین الگوریتم پیشنهادی برای ترافیک­های صدا، ویدئو و صفحات اینترنت شبیه­سازی شده ­اند لذا ترافیک سیگنالینگ که شامل سیگنالینگ کنترلی است در نظر گرفته نشده و به همین علت تعداد بلوک منابع رزرو شده برای این ترافیک صفر درنظر گرفته شده است. قسمت بالایی در شکل مربوط به تعداد بلوک منابع رزرو شده برای کاربران با کلاس کیفیت سرویسGBR، قسمت میانی مربوط به بلوک منابع رزرو شده­ برای کاربران با کلاس کیفیت سرویس Non-GBR و قسمت پایینی نیز مربوط به کاربران دارای ترافیک سیگنالینگ است. مطابق با شکل مشخص است که در هر بازه­ی زمانی الگوریتم از میان کاربران ، به تعداد بلوک منابع رزرو شده برای کاربران بلادرنگ از میان کاربران این گروه با بالاترین مقدار معیار انتخاب می­شوند. و به تعداد بلوک منابع رزرو شده برای کاربران غیربلادرنگ از میان کاربران این گروه نیز با بالاترین معیار انتخاب می­شوند. در ابتدا از بین این تعداد کاربران بلادرنگ به ترتیب اولویت در زیرکانالی که بهترین شرایط را دارا می­باشند، انتخاب شده و دو بلوک منبع به آن­ها تعلق می­گیرد. سپس از بین کاربران غیر بلادرنگ نیز به ترتیب اولویت در زیرکانال­هایی که دارای بهترین شرایط هستند، دو بلوک منبع به این کاربران تعلق می­گیرد.
فصل چهارم
الگوریتم پیشنهادی و شبیه­سازی
مقدمه
در این فصل الگوریتم پیشنهادی به صورت کامل شرح داده می­ شود. الگوریتم پیشنهادی در مقایسه با سایر الگوریتم­های موجود در شبکه­ LTE که در سرعت های بالاتر از km/h 135 (به عنوان مثال برای کاربرانی که در یک قطار سریع­السیر قرار دارند) نسبت به محوشدگی مقاوم نیستند، مقاوم است. همچنین در مدت زمان ارسال، همبستگی کانال کاربر را لحاظ می­ کند. در نتیجه بویژه در سرعت­های بالاتر از km/h 135عملکرد بهتری داشته و نرخ ارسال شبکه را بهبود می­بخشد. علاوه براین الگوریتم پیشنهادی با بهره گرفتن از ایده­ ارسال بیت­های ضروری به­گونه ­ای عمل کرده است که پارامترهای کیفیت سرویس مانند تاخیر شبکه و نرخ از دست رفتن بسته را نسبت به الگوریتم­های دیگر بهبود بخشیده است. از این رو نحوه­ عملکرد الگوریتم به صورت مفصل در ادامه­ فصل و در بخش ۴-۲ و زیربخش­های مربوط به این بخش توضیح داده می­ شود و نتایج حاصل از شبیه­سازی الگوریتم پیشنهادی و سه الگوریتم مقایسه شده با الگوریتم پیشنهادی در زیربخش ۴-۳ بیان خواهد گردید.
بیان الگوریتم پیشنهادی برای تخصیص منابع
الگوریتم پیشنهادی با عنوان ^[۷۹]SAW-QoS برای جهت فروسو طراحی شده است اما می ­تواند برای جهت فراسو نیز مورد استفاده قرار گیرد. این الگوریتم از ۵ مرحله تشکیل شده است که در ابتدای هر بازه­ی زمانی ارسال این مراحل به صورت زیر انجام می­شوند :
تقسیم ­بندی کاربران براساس سرعت حرکت آنها
محاسبه­ی نرخ ارسال داده کاربران تا ایستگاه مبنا
محاسبه­ی معیار برای هر کاربر و تعیین اولویت هر صف
محاسبه­ی تعداد بلوک منابع به هر صف کاربر برای تامین کیفیت سرویس­شان
تخصیص بلوک منبع به کاربران
مقدمات و ملزومات الگوریتم
در این الگوریتم دو هدف مدنظر می­باشد:
استفاده از ویژگی­های لایه­ی فیزیکی و زیر لایه­ی MAC: الگوریتمی که در این پایان نامه ارائه شده است می ­تواند به کاربران در سرعت­های بالا که در مدت زمان ارسال دارای همبستگی کانال نیستند، با تخصیص بلوک منبع به روش FD آن­ها را در مقابل محوشدگی مقاوم نموده و نرخ ارسال شبکه را افزایش دهد.
برآورده کردن نیاز­های کیفیت سرویس: هدف دیگر این الگوریتم مانند دیگر الگوریتم­های موجود در زمینه­ زمان­بندی بسته، برآورده کردن نیازهای کیفیت سرویس کاربران تا حد امکان است. در الگوریتم پیشنهادی با ارائه­ الگوریتم زمان­بندی مناسب پارامترهای کیفیت سرویس، نظیر تاخیر و نرخ از دست رفتن بسته، بهبود یافته­اند.
مقدمات مورد نیاز برای توضیح الگوریتم به صورت زیر می­باشد:
دسته­بندی کاربران: کاربران براساس همبستگی­کانالشان در بازه­ی زمانی ارسال به دو گروه شامل کاربرانی که همبستگی کانال­شان در بازه­ی زمانی ارسال حفظ نمی­ شود و کاربرانی که در بازه­ی زمانی ارسال دارای کانال همبسته­ای هستند، تقسیم می­شوند.
گزارش شرایط کانال: هر کاربر بر اساس سرعتی که دارد در ابتدای هر بازه­ی زمانی ارسال یا بعد از گذشت مدت زمانی از شروع فریم گزارشی از شرایط کانال خود به ایستگاه مبنا می­دهد. ایستگاه مبنا بر این اساس برای تخصیص بلوک منبع در زیر کانال مشخص تصمیم لازم را اتخاذ می کند. نحوه­ این گزارش و زمانی که باید این گزارش از طرف کاربر به ایستگاه مبنا ارسال شود، در ادامه بیان خواهد شد.
تشکیل صف: هر کاربر بسته­های خود را ارسال کرده و این بسته­ها در صف­های مجزایی در ایستگاه مبنا قرار می­گیرند تا در ابتدای هر بازه­ی زمانی ارسال، براساس الگوریتم زمان­بندی پیشنهادی صف­ها­ی انتخاب شده بسته­های خود را ارسال کنند.
نوآوری های انجام شده
نوآوری های انجام شده در این پایان نامه نسبت به دیگر الگوریتم­های ارائه شده در زمینه­ زمان­بندی بسته در شبکه ­های LTE به شرح زیر هستند:
تقسیم بندی کاربران به دو گروه: این تقسیم ­بندی از این جهت جدید محسوب می­ شود که براساس سرعت کاربران و با در نظر گرفتن همبستگی کانالشان در بازه­ی زمانی ارسال صورت گرفته است. نحوه­ دسته­بندی این­گونه است که کاربران به دو دسته­ی با سرعت کمتر از km/h135 و سرعت بیشتر از km/h135 تقسیم می­شوند. علت انتخاب سرعت km/h135 این است که این سرعت به عنوان سرعت مرزی است. یعنی سرعت­های کمتر از آن دارای همبستگی کانال در بازه­ی زمانی ارسال
هستند ولی کاربران با بیش از این سرعت همبستگی کانالشان در بازه­ی زمانی ارسال حفظ نمی­ شود. نحوه محاسبه این سرعت در بخش ۴-۵ بیان خواهد شد. به همین علت نیز با توجه به سرعت کاربران همانطور که در ادامه بیان می­ شود، نحوه­ تخصیص بلوک منبع متفاوت خواهد بود.
ارائه­ روش جدید برای تخصیص بلوک منابع: در این پایان نامه روشی برای تخصیص بلوک منبع درنظر گرفته شده است که براساس آن بتوان به کاربرانی که در بازه­ی زمانی ارسال، کانال همبسته­ای ندارند بلوک منبع به گونه ­ای تخصیص یابد که در زیر کانالی که بلوک منبع دریافت می­ کنند دارای بهترین شرایط باشند. این کار باعث می­ شود که نرخ ارسال شبکه نسبت به دیگر الگوریتم­ها افزایش یابد. همچنین با تخصیص بهترین زیرکانال به کاربران باعث ارسال بیشتر بیت در بازه­ی زمانی ارسال شده که این امر، کاهش تاخیر و نرخ از دست رفتن بسته را به­دنبال دارد.
تعریف بیت ضروری: در این الگوریتم پارامتری به نام بیت ضروری یعنی بیت­هایی که اگر در بازه­ی زمانی ارسال جاری، ارسال نشود از بین می­روند، تعریف شده است. علت تعریف این پارامتر این
است که با گذشت زمان و منتظر ماندن بسته­ها در صف باعث می­ شود که براساس نوع کیفیت سرویسشان به زمان از بین رفتن­شان نزدیک شده و اگر در بازه­ی زمانی ارسال جاری ارسال نگردند، بیت­های زیادی از بین برود. به همین علت این پارامتر تعریف شده که در بازه­ی زمانی ارسال اکثر بیت­های ضروری ارسال شده که از هدر رفتن آن­ها جلوگیری شده و درنتیجه کاهش نرخ از دست رفتن بسته فراهم شود.
پیشنهاد ساختار جدید فریم: در این الگوریتم با توجه نحوه­ تخصیص بلوک منابع به کاربران با سرعت بالاتر از km/h135، ساختار جدیدی از فریم ارائه می شود که این گروه از کاربران بتوانند در بلوک منبع دوم یک زیرفریم نیز شرایط کانال خود را به ایستگاه مبنا گزارش دهند.
پیش­نیازهای الگوریتم
هدف این بخش محاسبه حداکثر سرعتی که همبستگی کانال کاربر در بازه­ی زمانی ارسال حفظ می­ شود، است. بنابراین با توجه به همبستگی کانال کاربر در بازه­ی زمانی ارسال می­توان به شیوه­ MUD بلوک منبع به کاربر تعلق گیرد. اما برای کاربران با سرعت بیشتر از حداکثر سرعت محاسبه شده، همبستگی کانال کاربر کاهش یافته و در بازه­ی زمانی ارسال دارای کانال همبسته­ای نیستند لذا به شیوه­یFD بلوک منبع به کاربر تعلق می­گیرد. برا ی محاسبه سرعت مورد نظر رابطه­ ۴-۱ که بیانگر ارتباط بین سرعت و مدت زمان همبستگی کانال است، مورد استفاده قرار
می­گیرد]۱۵[:
(۴-۱)
در رابطه­ ۴-۱، پارامترهای v، ،c وf به ترتیب بیانگر، سرعت حرکت کاربر، مدت زمانی که کانال کاربر با سرعت vهمبسته است که در این زمان برابر با ۱میلی­ثانیه برابر با بازه­ی زمانی ارسال در نظر گرفته می­ شود، سرعت نور و فرکانس مرکزی که مقدارش مطابق با استاندارد برابر ۲ گیگاهرتز در نظرگرفته شده، هستند. با توجه به رابطه­
۴-۱ نحوه­ تخصیص بلوک منبع به کاربران باید به­گونه ­ای باشد که همبستگی کانال کاربر در بازه­ی زمانی ارسال حفظ گردد. از این رو تقسیم ­بندی کاربران به دو گروه به صورت زیر انجام می­گیرد: