Điều khiển truy nhập ưu tiên trong mạng truyền thông di động D2D

ật toán điều khiển truy nhập tuần tự round-robin 
 (RR) hoạt động như sau: Các yêu cầu kết nối được xử lý 
iii) Giới hạn của số yêu cầu chưa xử lý (backlog) tuần tự không xét đến độ ưu tiên của chúng. Áp dụng 
 của luồng yêu cầu D2D thứ i thuật toán này, các yêu cầu kết nối có được sự công 
 ∑ +퐿′ + 
 푖>푗 푗 max bằng thời gian xử lý. 
푄 (푡) = + ⋅ ( (11) 
 푖 푖 푖 푅−∑ − 
 푖>푗 푗 Phân tích toán học đã được trình bày trong phần 2 giúp 
iv) Giới hạn của số yêu cầu chưa xử lý của luồng cho việc có thể ước lượng được giới hạn của độ trễ xử 
 yêu cầu di động lý yêu cầu và số lượng các yêu cầu chờ xử lý. Tuy nhiên, 
 hạn chế của sử dụng phân tích toán học là hệ thống có 
 푄 (푡) = (12) 
 nhiều giả thiết đơn giản hóa, không gần với hệ thống 
Giới hạn của số yêu cầu chưa xử lý của luồng yêu cầu thực tế. Các tác giả của bài báo [6] cũng đã thực hiện 
D2D thứ i bị ảnh hưởng bởi tốc độ đến của nó và của mô phỏng mạng để nghiên cứu hiệu năng hệ thống. Tuy 
luồng có mức ưu tiên cao hơn. Giới hạn của số yêu cầu nhiên, mô phỏng mới chỉ thực hiện ở mức kết nối chứ 
chưa xử lý của luồng yêu cầu di động bị ảnh hưởng bởi chưa ở mức truyền gói tin nên chưa đánh giá được các 
 thông số hiệu năng về thông lượng hệ thống. 
giá trị . 
 4 – ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA CÁC THUẬT 
3. CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP TOÁN 
TẬP TRUNG 
 Chúng tôi đã phát triển một công cụ mô phỏng sự kiện 
Trong phần này, chúng tôi trình bày ba thuật toán điều rời rạc, để thực hiện mô phỏng hoạt động của mạng 
khiển truy nhập tập trung, bao gồm: truyền thông di động D2D và đánh giá hiệu năng của 
 các thuật toán điều khiển truy nhập tập trung. Mô hình 
- Thuật toán điều khiển truy nhập theo mức ưu tiên đối 
 mô phỏng được thiết kế như sau. Hệ thống có 01 trạm 
với các loại kết nối và có xét ngưỡng hàng đợi là thuật 
 gốc có bán kính phủ sóng 100m với nguồn tài nguyên 
toán do chúng tôi đề xuất. 
 vô tuyến là 100 kênh truyền. Hệ thống mô phỏng sự 
 - Thuật toán điều khiển truy nhập theo mức ưu tiên đối hoạt động của 1000 thiết bị đầu cuối trong khoảng thời 
với các loại kết nối được trình bày trong [6]. gian 1000s. Khi một phiên truyền dữ liệu giữa thiết bị 
 và trạm gốc hoặc giữa thiết bị với thiết bị được khởi tạo, 
- Thuật toán điều khiển truy nhập tuần tự (round-robin - thiết bị phát sẽ tạo ngẫu nhiên số gói tin cần truyền. 
RR) Thiết bị phát sẽ gửi yêu cầu kết nối tới trạm gốc. Nếu 
 Thuật toán điều khiển truy nhập theo mức ưu tiên trạm gốc còn kênh truyền khả dụng thì trạm gốc sẽ chấp 
và xét ngưỡng hàng đợi hoạt động như sau: Các yêu cầu nhận yêu cầu kết nối và cấp cho thiết bị một kênh truyền 
kết nối theo độ ưu tiên theo thứ tự giảm dần từ cao đến dữ liệu. Sau khi đã truyền hết các gói tin được tạo ra, 
thấp của kết nối di động (Cellular), kết nối D2D ưu tiên thiết bị ngắt kết nối và kênh truyền được giải phóng để 
cao (High_D2D), trung bình (Medium_D2D) và thấp dành cho các yêu cầu kết nối khác. 
(Low_D2D). Thuật toán này xét cả đến ngưỡng hàng Trong kịch bản mô phỏng thứ nhất, chúng tôi so sánh 
đợi trong kết nối D2D và số lượng kênh được cấp trong thuật toán đề xuất với thuật toán của [6] với các thông 
quá trình truyền tin của từng mức ưu tiên. Cụ thể, loại số mô phỏng chính được trình bày trong Bảng 2. 
kết nối ưu tiên cao thì sẽ có ngưỡng hàng đợi nhỏ hơn 
so với mức ưu tiên thấp hơn. Khi số yêu cầu trong các Kết quả mô phỏng được thu thập và trình bày dưới dạng 
hàng đợi đều chưa vượt ngưỡng, việc xử lý các yêu cầu hàm mật độ xác suất theo thống kê (Empirical CDF). 
được thực hiện theo mức ueu tiên. Nếu có một loại kết Chúng tôi đánh giá và so sánh hiệu năng của thuật toán 
nối D2D có số yêu cầu kết nối đạt tới ngưỡng hàng đợi đề xuất và thuật toán của [6] với các thông số hiệu năng 
thì loại kết nối đó sẽ được ưu tiên xử lý trước. Nếu có sau cho từng loại kết nối. 
hai kết nối D2D trở nên có số yêu cầu kết nối đạt tới 
 Đỗ Thành Đạt, Nguyễn Minh Hiền, Nguyễn Nam Hoàng, Phạm Minh Triển 
- Thời gian trễ xử lý các yêu cầu kết nối: độ trễ từ hàng đợi ở các kết nối D2D nên các kết nối khi đạt tới 
 thời điểm yêu cầu được khởi tạo cho đến khi được ngưỡng sẽ được xử lý trước. Điều này làm giảm thời 
 trạm BS xử lý. gian trễ của các kết nối có ưu tiên thấp nhưng thời gian 
- Số yêu cầu kết nối bị hủy trong quá trình khỏi tạo trễ của kết nối mức ưu tiên trung bình bị tăng lên nhưng 
 do hàng đợi bị đầy. ở mức chấp nhận được, chẳng hạn như 90% số yêu cầu 
- Thông lượng của hệ thống. kết nối của mức ưu tiên trung bình có thời gian trễ xử lý 
 dưới 0.7s. 
 Bảng 2. Thông số mô phỏng kịch bản A 
 Thông số Giá trị Đơn vị 
Số kênh cấp cho kết nối 
 2 kênh 
Cellular và High_D2D 
Số kênh cấp cho kết nối 
 1 kênh 
Medium_D2D, Low_D2D 
Tốc độ khởi tạo phiên làm 
 70, 65, 
việc cho kết nối Cellular, 
 70 và yêu cầu/s 
High_D2D, Medium_D2D 
 40 
và Low_D2D, tương ứng 
Số gói tin trung bình trong Hình 4: CDF thống kê số yêu cầu kết nối bị hủy giữa 
một phiên làm việc với kết thuật toán: Đề xuất và [6] 
 10, 9, 
nối Cellular, High_D2D, gói tin/s 
 7 và 5 
Medium_D2D và Low_D2D, 
tương ứng 
Tốc độ truyền của mỗi kênh 20 gói tin/s 
Độ dài hàng đợi 200 yêu cầu 
Ngưỡng hàng đợi của 
 10, 40 
High_D2D, Medium_D2D yêu cầu 
 và 50 
và Low_D2D, tương ứng 
 Hình 5 CDF thống kê của thông lượng hệ thống giữa 
 thuật toán Đề xuất và [6] 
 Hình 4 biểu diễn số yêu cầu gửi lên BS bị hủy do hàng 
 đợi bị đầy các xử lý yêu cầu ở BS. Do thuật toán của [6] 
 chỉ xét theo mức độ ưu tiên nên các yêu cầu kết nối có 
 mức ưu tiên thấp sẽ ít được xử lý. Điều này làm cho 
 hàng đợi ở mức ưu tiên thấp bị đầy và làm tăng số yêu 
 cầu kết nối bị hủy. Tuy nhiên, khi sử dụng thuật toán đề 
 xuất kết hợp cả xét ngưỡng hàng đợi giúp các ưu tiên 
 mức thấp khi đến ngưỡng thì các yêu cầu có thể được 
 Hình 3: CDF của thời gian trễ xử lý yêu cầu kết nối của xử lý nên giúp giảm số lượng các yêu cầu bị hủy mà vẫn 
 thuật toán Đề xuất và [6] đảm bảo hiệu năng hệ thống. 
 Hình 5 trình bày CDF của thông lượng toàn hệ thống 
Hình 3 trình bày độ trễ xử lý các yêu cầu khi sử dụng 
 của từng loại kết nối khi sử dụng thuật toán đề xuất và 
thuật toán đề xuất và thuật toán của [6]. Có thể thấy của [6]. Thuật toán đề xuất đạt được hiệu năng về thông 
rằng do thuật toán của [6] xử lý yêu cầu kết nối theo độ lượng hệ thống tương đương với thuật toán [6] cho các 
ưu tiên nên kết nối D2D có độ ưu tiên thấp được ưu tiên loại kết nối. 
xử lý sau cùng. Do vậy độ trễ xử lý của chúng cao hơn 
so với các yêu cầu kết nối loại khác mặc dù tốc độ khởi Để so sánh hiệu năng về thông lượng hệ thống của thuật 
tạo nhỏ hơn. Thuật toán đề xuất cũng xử lý yêu cầu kết toán đề xuất và thuật toán điều khiển truy nhập tuần tự, 
nối dựa trên độ ưu tiên. Tuy nhiên do có thêm ngưỡng chúng tôi thực hiện kịch bản mô phỏng để kiểm chứng 
ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ƯU TIÊN TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG D2D 
việc điều khiển truy nhập theo mức ưu tiên và có xét tiên cao là kết nối di động và kết nối D2D ưu tiên cao. 
ngưỡng hàng đợi sẽ hỗ trợ việc đảm bảo thông lượng hệ Trong tương lai, việc nghiên cứu về điều khiển truy 
thống của các kết nối D2D cần có độ ưu tiên cao. Trong nhập và phân bổ tài nguyên cho truyền thông D2D vẫn 
kịch bản này, tốc độ khởi tạo phiên kết nối của loại kết sẽ là chủ đề nghiên cứu có nhiều thách thức. Các hướng 
nối Cellular, High_D2D, Medium_D2D và Low_D2D nghiên cứu hiện bao gồm cơ chế điều khiển truy nhập 
tương ứng là 80, 75, 55 và 40 yêu cầu/s. phân tán và tái sử dụng tài nguyên để nâng cao hiệu suất 
 sử dụng phổ tần số. 
 LỜI CẢM ƠN 
 Công trình này được hỗ trợ bởi Đại học Quốc gia Hà 
 Nội, thông qua Đề tài QG 19.24 "Điều khiển xung đột 
 thông minh trong các mạng di động hỗ trợ truyền tin từ 
 thiết bị đến thiết bị ". 
 Tài liệu tham khảo 
 [1] T. E. Bogale and L. B. Le, “Massive MIMO and 
 mmWave for 5G Wireless HetNet: Potential Benefits 
 and Challenges”, IEEE Vehicular Technology Magazine, 
 Bản 11, Số 1, 2016, trang: 64-75. 
Hình 6: CDF của thông lượng hệ thống giữa thuật toán: [2] J. Hong, S. Park, H. Kim, S. Choi and K. B. Lee, 
 Đề xuất và Tuần tự (RR) “Analysis of Device-to-Device Discovery and Link 
Hình 6 trình bày hiệu năng của thông lượng tính trên Setup in LTE Networks”, 2013 IEEE 24th Annual 
toàn hệ thống của từng loại kết nối của các gói tin khi sử International Symposium on Personal, Indoor, and 
dụng thuật toán đề xuất và thuật toán tuần tự (RR). Kết Mobile Radio Communications (PIMRC 2013), London, 
quả mô phỏng cho thấy thuật toán đề xuất mang lại UK, trang: 555-560. 
 [3] Y. SubbaRayudu, R. O. Reddy, P. Anjaiah, “A study 
thông lượng hệ thống của kết nối di động (Cellular) và 
 on user mobility in device to device (D2D) networks 
kết nối D2D ưu tiên cao (High_D2D) cao hơn thuật toán 
 through distrubted catching”, 2017 IEEE International 
tuần tự. Chẳng hạn như khi xét số mẫu thông lượng hệ 
 Conference on Power, Control, Signals and 
thống nhỏ hơn 700 gói/s, thuật toán tuần tự có 40% số 
 Instrumentation Engineering (ICPCSI 2017). 
mẫu trong khi thuật toán đề xuất có 20% số mẫu. Có 
 [4] E. Osman, “Impact of Power Allocation on Device-
nghĩa là số mẫu có giá trị trên 700 gói/s của thuật toán 
 to-Device Discovery Processes”, 16th Biennial Baltic 
đề xuất là 80% còn của thuật toán tuần tự là 60%. Electronics Conference (BEC), Estonia, 2018, trang 1-4. 
Tương tự vậy, đối với kết nối D2D ưu tiên cao, khi xét [5] F. Jameel, Z. Hamid, S. Zeadally and M. A. Javed , 
số mẫu thông lượng hệ thống lớn hơn 650 gói/s, thuật “A Survey of Device-to-Device Communications: 
toán đề xuất có 64% số mẫu trong khi thuật toán tuần tự Research Issues and Challenges”, IEEE 
có 48% số mẫu. Thông lượng hệ thống của kết nối D2D Communications Surveys & Tutorials, 2018, trang 
ưu tiên trung bình của hai thuật toán đạt được là tương 2133-2168. 
đương nhau. Trong khi đó, thông lượng hệ thống của [6] J. Huang, Y. Sun, Z. Xiong, Q. Duan, Y. Zhao, X. 
kết nối D2D ưu tiên thấp khi áp dụng thuật toán đề xuất Cao and W. Wang, "Modeling and Analysis on Access 
sẽ nhỏ hơn của thuật toán tuần tự do thuật toán tuần tự Control for Device-to-Device Communications in 
phân bổ thời gian phục vụ đồng đều cho tất cả các loại Cellular Network: A Network-Calculus-Based 
kết nối. Approach", IEEE Transactions on Vehicular 
 Technology, 2016, Bản: 65, Số: 3, trang: 1615 – 1626. 
5. KẾT LUẬN 
 [7] Ewaldo Zihan et al., "Distributed Random Access 
Trong bài báo này, chúng tôi đã trình bày nghiên cứu về Scheme for Collision Avoidance in Cellular Device-to-
mô hình điều khiển truy nhập tập trung nhiều mức ưu Device Communication, IEEE Transactions on Wireless 
tiên cho mạng truyền thông di động D2D. Chúng tôi đã Communications, 2015, Bản: 14, Số: 7, trang: 3571 – 
đề xuất thuật toán điều khiển truy nhập theo mức ưu tiên 3585. 
đối với các loại kết nối và có xét ngưỡng hàng đợi. [8] Mei-Ju Shih et al., "A Distributed Multi-Channel 
Chúng tôi đã phát triển chương trình mô phỏng để đánh Feedbackless MAC Protocol for D2D Broadcast 
giá và so sánh hiệu năng của thuật toán đề xuất với thuật Communications", IEEE Wireless Communications 
toán điều khiển truy nhập ưu tiên của [6] và thuật toán Letters, 2015, Bản: 4, Số: 1, trang: 102 – 105, 2015. 
điều khiển truy nhập tuần tự. Kết quả mô phỏng cho [9] Zhuo Wang, "Delay and collision optimization for 
thấy thuật toán đề xuất có khả năng hỗ trợ đảm bảo chất clustered machine type communications in random 
lượng dịch vụ của các loại kết nối và mang đến thông access procedures", 6th International Conference on 
lượng hệ thống cao đối với các loại kết nối có mức ưu Electronics Information and Emergency 
 Đỗ Thành Đạt, Nguyễn Minh Hiền, Nguyễn Nam Hoàng, Phạm Minh Triển 
Communication (ICEIEC), 2016, trang: 318 – 321. Nguyễn Minh Hiền hiện đang là 
[10] Bin Han, "Grouping-Based Random Access sinh viên năm thứ tư, ngành 
Collision Control for Massive Machine-Type Truyền thông và Mạng máy tính, 
Communication", 2017 IEEE Global Communications trường Đại học Công nghệ, Đại 
Conference (GLOBECOM2017), 2017, trang: 1 – 7. học Quốc gia Hà Nội. Lĩnh vực 
[11] S. Maghsudi, “Hybrid Centralized–Distributed nghiên cứu về truyền thông D2D 
Resource Allocation for Device-to-Device trong mạng di động. 
Communication Underlaying Cellular Networks”, IEEE 
Transactions on Vehicular Technology, 2016, Số: 4, 
trang: 2481-2495. 
 Nguyễn Nam Hoàng tốt 
 PRIORITY BASED ACCESS CONTROL FOR nghiệp Tiến sĩ chuyên 
 MOBILE CELLULAR D2D COMMUNICATIONS ngành mạng và truyền 
 NETWORKS thông tại Đại học Công 
 DO Thanh-Dat, NGUYEN Minh-Hien, nghệ Vienna, Cộng hòa Áo. 
 NGUYEN Nam-Hoang, PHAM Minh-Trien Hiện đang công tác tại 
 University of Engineering and Technology, Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học 
 Vietnam National University Hanoi Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Lĩnh 
 vực nghiên cứu bao gồm mạng truyền thông di 
Abstract: Device-to Device commucations known as động thế hệ mới và mạng truyền thông ánh 
D2D communications was introduced to mobile cellular 
networks to enhance network performance and sáng nhìn thấy. 
communication availability between mobile devices. 
When the traditional cellular communications and D2D Phạm Minh Triển tốt 
communication use the same frequency spectrum, nghiệp Đại học và Thạc sĩ 
frequency collisions occur when they use the same tại Trường Đại học Công 
channels. The collisions cause interference between nghệ, Đại học Quốc gia Hà 
D2D users and cellular users which degrades the system 
performance and QoS of ongoing connections. Nội ngành Điện tử Viễn 
Therefore, access control for D2D and cellular thông năm 1999 và năm 
connections is a crucial research issue aiming at 2003, và Tiến sĩ chuyên 
reducing the collision and enhancing system ngành Kỹ thuật Điện tại 
performance. In this paper, we present a centralized Đại học Quốc gia 
access control model and introduce an analysis model Chungbuk, Hàn Quốc. Hiện đang công tác tại 
which can be applied to analyze the system performance 
in terms of request processing delay and system backlog. Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học 
We propose an access control algorithm which applies Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. 
multi-level connection-based priorities queuing 
thresholds. We developed a simulation program to 
evaluate the performance of the proposed algorithm and 
compared with those of another priority-based algorithm 
given in [6] and the round robin algorithm. Simulation 
results have shown the advantadges of the proposed 
alogirthm in comparing with other algorithms in mobile 
cellular D2D communications networks. 
Keywords: Collision control, access control, D2D 
communications 
Tiểu sử các tác giả 
 Đỗ Thành Đạt hiện đang là sinh 
 viên năm thứ tư, ngành Truyền 
 thông và Mạng máy tính trường 
 Đại học Công nghệ, Đại học Quốc 
 gia Hà Nội. Lĩnh vực nghiên cứu 
 bao gồm truyền thông D2D trong 
 mạng di động.