پایان نامه بررسي تخصيص بهره ي پردازش به کاربران در يک شبکه ي CDMA سلولي
چکيده
اين پروژه با معرفي شبکه ي بي سيم آغاز مي گردد، سپس شبکه هاي سلولي CDMA مطرح مي گردد. پس از آشنايي با نحوه ي عملکرد شبکه ي CDMA به محاسبه ي تداخل به صورت يک متغيير تصادفي پرداختيم و سپس مقادير ميانگين و واريانس آن را به روش حل عددي يافتيم.
سپس الگوريتم SD را مطرح نموده و نشان داديم که اين الگوريتم ار آنجا که تاثير تداخل سلولهاي مجاور را روي سلول اصلي هنگام تخصيص بهره در نظر نمي گيرد، نياز به بهبود دارد. به همين دليل الگوريتم LA را مطرح کرديم که روشي نو در تخصيص بهره ي پردازش به تماسهاي جديد و soft handoff محسوب مي شود.
در پايان نيز با معرفي الگوريتمي ديگر براي تخصيص توان که خود متناسب با فرکانس و بهره ي پردازش است الگوريتم ارايه شده در مرجع 1 را در حضور کلاسهاي مختلف تماس بهبود داده و براي اثبات بهينگي آن از دو روش رياضي بهره جسته ايم. در نهايت هم نتايج عددي هر دو الگوريتم را در مقايسه با الگوريتم هاي ديگري که به اين منظور معرفي شده است در انتها آورده ايم.
کلمات کليدي: CDMA، تداخل، متوسط تداخل، واريانس تداخل، الگوريتم LA، ااگوريتم SD،soft handoff، Call Admission Control (CAC) Algorithm، QoS، تخصيص بهينه ي توان، priority classes.
فهرست
1- تکامل شبکه هاي سلولي 1
1-1 تاريخچه 1
2-1 سيستم تلفن سلولي 8
3-1جابجايي سلولي 12
4-1 نسل جديد تلفنهاي سلولي ديجيتالي 13
5-1 فناوري دسترسي سلولي 13
2- مقدمه اي بر شبکه سلوليCDMA 14
1-2 تکامل شبکه هاي CDMA 16
3- تعيين ظرفيت براي شبکه ي CDMA 17
1-3 تداخل در شبکه CDMA چند سلولي 18
2-3 ظرفيت forward link براي حالت چند سلولي با تخصيص توان 25
4- الگوريتم تخصيص بهره ي پردازش در شبکه يCDMA 30
5- الگوريتم کنترل اجازه ي تماس 33
6- الگوريتم تخصيص توان در ساير شبکه ها 35
7- نتايج عددي 40
منابع و مراجع 45
1- تکامل شبکه هاي مخابراتي
1-1 تاريخچه
سيستم هاي تلفن راديويي همراه مقدمه اي براي فناوري تلفن همراه سلولي مدرن بودند. از زماني که نسل اول تلفن همراه سلولي راه اندازي شد، اين سيستم ها گاهي به عنوان نسل0 (نسل صفر) هم شناخته ميشند. فناوري هايي که در سيستم هاي نسل صفر شامل مي شدند، عبارت اند از : PTT يا Push To Talk، سيستم تلفن همراه يا MTS، سرويس تلفن همراه تقويت شده يا IMTS و AMTS که به معني سيستم تلفن همراه پيشرفته است.
اين سيستم هاي تلفن همراه قديمي مي توانستند از ساير سيستم هاي بسته تلفن راديويي متمايز شوند به خاطر اينکه آن ها به عنوان سيستم هاي خدماتي تجاري بودند و قسمتي از شبکه تلفني عمومي سوئيچ شده بودند که هر کدام شماره تلفن خود را داشتند، به خاطر همين هم متفاوت از شبکه هاي بسته از قبيل بيسيم پليس يا سيستم تاکسي بيسيم بودند.
اين تلفن هاي همراه عموما در داخل ماشين ها يا کاميون ها جاسازي مي شدند، بعدها مدل کيفي آن ها نيز ساخته شد. عموما، دستگاه انتقال دهنده داخل بدنه خودرو جاسازي شده و به «سر» (منظور نمايشگر و گوشي) که در کنار صندلي راننده قرار ميگرفت، متصل بود.
اين سيستم ها از طريق WCCها ، RCC ها و فروشنده بيسيم هاي دو طرفه فروخته ميشد. کاربران اصلي آن ها سرکارگرهاي ساختماني، دلال معاملات ملکي و افراد مشهور بودند.
قديمي ترين اين سيستم ها به عبارت زير هستند :
موتورولا با همکاري شرکت Bell System نخستين سرويس تلفن همراه تجاري را در آمريکا در سال ۱۹۴۶ به عنوان شرکت تلفني Wire Line راه اندازي کرد.
اولين سيستم خودکار به وسيلهي IMTS متعلق به شرکت Bell System در سال ۱۹۶۲ راه اندازي شد، که شماره گيري خودکار به و با تلفن همراه را ارائه ميکرد.
نخستين سيستم تلفن همراه دستي نروژ در سال ۱۹۶۶ توسط Televerket راه اندازي شد. بعدها نروژ اولين کشور اروپا بود که سيستم تلفن همراه خودکار را تهيه کرد.
شرکت Auto radio puhelin در سال ۱۹۷۱ در فنلاند اولين شبکه تلفن همراه تجاري را در کشور راه اندازي کرد.
شرکت B-Netz در سال ۱۹۷۲ در آلمان غربي به عنوان دومين شبکه تلفن همراه تجاري راه اندازي شد (اما قبلي احتياج به يک اپراتور انسان که تماس ها را به هم متصل کند نداشت)
رشد سيستم هاي تلفن سيار، افزايش كاربران اينترنت و بالا رفتن انتظار و نيازهاي کاربران، مانند تقاضاي دسترسي به اينترنت با كيفيت بالا از طريق سيستم هاي بيسيم، منجر به طراحي سيستم هايي شده است كه قادر به برآورده كردن اين نيازها باشند.
کاربران سرويس هاي مخابراتي در آينده، ترجيحمي دهند که سرويس هاي مشابهي را که از شبکه هاي ثابت دريافت مي کنند از يک محيط بيسيم نيز در اختيار داشته باشند. البته انتظار نمي رود که عملکرد بهتر را قرباني حرکت پذيري بيشتر نمايند چراكه آنها در هرصورت از ابزارهاي مخابراتي ساکن هم استفاده خواهند کرد. بنابراين بهترين راه کار اين است که سيستم هاي بيسيم با شبکه هاي ثابت مجتمع شوند، به همين منظور شبکه هاي بي سيم به سرعت در حال تکامل و حرکت به سمت شبکه هاي تماما” IPمي باشند.
شبکه هاي تلفن قديمي (شبکه هاي سلولي نسل دوم) مانند GSM، که فقط براي انتقال صوت مورد استفاده قرار مي گيرند، ذاتا” داراي تکنولوژي سوئيچ مداري هستند. شبکه هاي نسل 5/2 مانند GPRS، مدل گسترش يافته شبکه هاي نسل2 هستند که از تکنولوژي سوئيچ مداري براي انتقال صوت و از سوئيچ بسته اي براي تبادل ديتا استفادهمي کنند. تکنولوژي سوئيچ مداري ايجابمي کند که کاربران بر مبناي زمان سنجيده شوند نه بر مبناي ميزان ديتاي انتقال داده شده، چراکه پهناي باند فقط براي کاربر اختصاص داده شده است. در مقابل، تکنولوژي سوئيچ بسته اي، پهناي باند را بيشتر مورد استفاده قرار داده و به بسته هاي هر کاربر اجازه رقابت براي بدست آوردن پهناي باند رامي دهد و کاربرها را بر مبناي ميزان ديتاي انتقال داده شده، مورد حسابرسي قرارمي دهد. بنابراين حرکت به سمت استفاده از سوئيچ بسته اي و به تبع آن شبکه هاي IP يک امر طبيعي است.
شبکه هاي نسل 3 (UMTS) قصد داشتند مشکلات متعددي که نسل هاي 2 و 2.5 با آن روبرو شده بودند را بر طرف کنند. از جمله اين مشکلاتمي توان به سرعت پايين و وجود تکنولوژيهاي ناهمخوان و سازگار ناپذير(TDMA/CDMA) در کشورهاي مختلف اشاره کرد.
انتظاراتي که از نسل 3 وجود داشت، افزايش پهناي باند به Kb/s 128در ماشين ها وMb/s 2 در کاربردهاي ثابت بود ولي در واقعيت، خروجي نسل3 نه روشن بود و نه مشخص. البته يک قسمت از اين مشکل به اين مسئله برمي گردد که تامين کنندگان و ارائه دهندگان شبکه هاي ارتباطي در اروپا و آمريکاي شمالي، در حال حاضر از استانداردهاي مجزايي براي نگهداري و پشتيباني استفادهمي کنند و بدنه اين استانداردها باعث ايجاد تفاوت هايي در تکنولوژي واسط هاي هوايي آنهامي شود. در ضمن سوالات مالي متعددي هم وجود دارد که باعث ترديد در مرغوبيت شبکه هاي نسل 3مي شود و اين نگراني وجود دارد که در بسياري از کشورها، نسل 3 مورد توجه واقع نشود. در مجموع تمامي اين مسائل و نگراني ها باعث ايجاد رقابت و تمايل به استفاده از تکنولوزي هاي بي سيم نسل 4 شد.
شبکه هاي نسل چهارم يا G4، نامي است که به سيستم هاي موبايل مبتني بر IP که دسترسي را از طريق يک مجوعه از واسطه هاي راديويي تامينمي کنند، داده شده است. شبکه G4 برقراري بهترين سرويس اتصال، رومينگ و فراگشت بي سيم را ارائهمي کند و از طرف ديگر چندين واسط دسترسي راديويي مانند: (HIPERLAN,WLAN ,BLUETOOTH ,GPRS) را به يک شبکه واحد که کاربر از آن استفادهمي کند تبديل خواهد کرد.
با اين ويژگي، کاربران خواهند توانست به سرويس هاي مختلف دسترسي پيدا کرده و پوشش بيشتري داشته باشند در ضمن، راحتي استفاده از يک وسيله واحد را نيز تجربه کنند( وسيله اي كه در آينده جايگزين گوشي هاي تلفن همراه فعلي خواهد شد) . از طرف ديگر يک صورتحساب را با کاهش کل هزينة دسترسي داشته و دسترسي بي سيم قابل اعتمادي را حتي در صورت از دست دادن يک يا چند شبکه، داشته باشند.
در حال حاضر G4 يکي از ابتکارات مراکز R&D براي فائق آمدن بر محدوديت هاي موجود و بر طرف کردن مشکلات G3 است که نتوانسته به وعده هاي خود در زمينه عملکردها و خروجي هاي مختلف عمل کند. در عمومي ترين سطح، ساختار G4 شامل سه منطقة پاية ارتباطي است: شبکه هاي شخصي PAN، (مانند Bluetooth)، نقاط دسترسي محلي با سرعت بالا در شبکه هايي که شامل تکنولوژي هاي LAN بيسيم (WLAN) هستند، (مانند: HIPERLAN و IEEE 802.16 ) و ارتباطات سلولي. با اين اوصاف G4 براي محدودة وسيعي از دستگاه هاي موبايل که از جابجايي هاي عمومي پشتيبانيمي کنند، به کار خواهد رفت. هر دستگاه قادر خواهد بود که با اطلاعات مبتني بر اينترنت که براي شبکهاي که در آن لحظه به وسيلة دستگاه استفاده مي شود، تعريف شده است، تعامل داشته باشد. به طور خلاصه، ريشه هاي شبکه هاي G4 بر مبناي ايدة محاسبات منتشر شونده، است.
ابزاري که در اين راستا قابل استفاده است راديو نرم افزار (SDR) مي باشد. راديوهاي SDR دستگاه هايي مانند تلفن هاي سلولي، PDAها، PCها و تمامي محدوده ساير دستگاهها را براي دريافت امواج هوايي به منظور رسيدن به بهترين متد ممکن ارتباطي، با بهترين قيمت آماده و امکان پذيرمي سازد. در يک محيط SDR، توابعي که سابقاً، فقط در سخت افزار اجرامي شدند، (مانند: توليد سيگنال راديويي انتقال و تنظيم سيگنال راديويي دريافت و . . . ) به وسيلة نرم افزار انجام مي شوند. بنابراين راديو قابل برنامه ريزي بوده و قادر به ارسال و دريافت سيگنال در يک محدوده وسيع فرکانسي است.
مشخصات و ويژگي هاي نسل چهارم:
-1سرعت بالا: سيستم هاي G4 بايد سرعت پيك بيش از Mb/s100 را در حالت ساکن و ميانگين Mb/s20 را در حال حرکت ارائه دهند.
-2 ظرفيت بالاي شبکه: ظرفيت شبكه بايد حداقل 10 برابر بيشتر از سيستم هاي G3 باشد. که اين مقدار زمان Download يک فايل M byte10 را در سيستم هاي G4 به 1 ثانيه کاهشمي دهد که اين زمان در سيستم هاي G3 معادل 200 ثانيه برآورد شده است. از طرف ديگر قابليت ارائه ويدئو با کيفيت بالا به تلفن ها و تجربة واقعيت مجازي در صفحات نمايش گوشي ها را نيز ارائه مي کند.
-3 فراگشت سريع و بي سيم بين شبکه هاي مختلف: شبکه هاي بي سيم G4 بايد از جابجايي عمومي بين شبکه هاي موبايل و شبکه هاي بي سيم مختلف پشتيباني کنند.
-4 پشتيباني از چند رسانه هاي نسل جديد: شبکة G4 بايد قادر به پشتيباني از مقدار زياد ديتاي انتقالي با سرعت بالا و با هزينة پايين تر از هزينه هاي معمول باشد.
شبکه هاي G4 : هدف G4 اين است که تکثر و فراواني موجود در بين شبکه هاي موبايل را با يک شبکة مركزي استاندارد جهاني که مبتني بر IP باشد و بتواند ويدئو، ديتا و صوت را پشتيباني کند، جايگزين نمايد که اين کار سرويس هاي يکپارچه صوت، تصوير و ديتا را براي تمامي ميزبانان موبايل که کاملاً بر مبناي IP هستند، تأمين خواهد كرد.
در واقع هدف اصلي ارائه سرويس هاي چند رسانه اي بي سيم به کاربراني است که از طريق تکنولوژي هاي دسترسي ناهمگن به يک ساختار تماماً IP دسترسي دارند. پروتكل IP در واقع به عنوان يک پيوند دهنده بين شبکه هاي مختلف براي تأمين ارتباطات عمومي و حرکت پذيري، عمل مي کند.
يک شبکة بي سيمIP ، پروتکل مخابراتي سيستم سيگنالينگ شمارة 7 (SS7) که واقعاً يک عامل زائدمي باشد، را تغييرمي دهد. زيرا ارسال سيگنال SS7 بخش زيادي از پهناي باند شبکه را مصرفمي کند حتي در زماني که هيچ ترافيکي سيگنالينگي وجود ندارد. (علت اين امر اين است که اين سيستم از مکانيزم Setup مکالمه براي رزرو کردن پهناي باند استفادهمي کند که اسلاتهاي زماني / فرکانسي در امواج راديويي اين کار را انجام نمي دهند). از طرف ديگر شبکه هاي IP بدون اتصال هستند و تنها زماني از اسلاتها استفاهمي کنند که ديتايي براي ارسال داشته باشند بنابراين در اين حالت بهينه ترين استفاده از پهناي باند موجود انجام خواهد شد.
امروزه ارتباطات بي سيم بيشتر بر پاية صوت استوار مي باشند و اين در حالي است که تحقيقات نشان مي دهد رشد ترافيک دنياي بي سيم به صورت نمايي به نسبت تقاضاي ترافيک صورت، در حال افزايش است. به خاطر اينکه لاية هسته IP به صورت ساده اي قابل درجه بنديمي باشد و براي رودرويي با اين چالش مناسب است. هدف ما در واقع يکي کردن شبکه هاي صوت، ديتا و چند رسانه ها است.
شکل 1: پايگاه دريافت و ارسال اطلاعات (BTS)
2-1 سيستم تلفن سلولي
سيستم تلفن سلولي روشي است براي اتصال به يک pstn جهت فراهم کردن تماس تلفني بدون سيم اتصال دهنده.سيستم هاي هاي راديويي سلولي خدمات قابل قبول و با کيفيتي را در رقابت با سيستم تلفني سيمي- زميني ارائه مي کنند ؛ که به واسطه تقسيم کردن نقاط جغرافيايي به سلول هاي متعدد امکان پذير مي شود.
هر سلول به ناحيه ايي جغرافيايي کوچکي است که کانال هاي راديويي در آن توسط مرکز مديريت سلول يعني ايستگاه ثابت آن (Base station) کنترل مي شود. که البته همان کانال ها در همان لحظه در فاصله ايي دورتر توسط سلول ديگر و Bs آن نيز استفاده شده و کنترل مي شوند.
هر سيستم سلولي تشکيل شده است از ايستگاه سيار (Mobile station) ، ايستگاه ثابت (Bs) و مرکز سوئيچينگ موبايل( Mobile switching center= Msc) مي باشد. به Msc ، دفتر سوئيچينگ تلفن هاي همراه (MTSO = mobile telephone switching office) نيز گفته مي شود.
شيوه ارتباطات موبايل با برقراري تماس راديويي با Bs هر سلول مي باشد که از آنجا با اتصال به Msc و بعد از آن به مرکز مخابراتي (PSTN) تماس برقرار مي شود. ايستگاه سيار (Ms) حاوي يک ترانسيور ، يک آنتن و مدار کنترلي مي باشد که مي توان آن را در يک وسيله نقليه يا واحد دستي و همراه (hand-held) جاي داد.
ايستگاه هاي ثابت(Bs) نيز شامل چندين ترانسميتر و ريسيور (فرستنده و دريافت کننده) هستند که همزمان ارتباطات دوطرفه(full duplex) را پشتيباني مي کنند که البته اکثرا در محيطي يا برجي مرتفع (نسبت به ديگر نقاط سلول) قرار مي گيرند تا سطح سلول را بتوانند پوشش دهند.
اما از آنجايي که ايستگاه ثابت به منزله پلي است ميان ايستگاه هاي سيار و Msc ، بايد ايستگاه هاي ثابت را بوسيله خطوط تلفني و يا لينک هاي مايکروويو به Msc متصل کرد. اما در مورد Msc بايد بگوييم که مسئوليت برقراري ارتباط بين PSTN و Ms را دارد. همچنين کنترل خطوط کاربران Ms و ارائه صورتحساب آنها را دارا است.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.