Phân tích hiệu năng của chuyển giao trong mạng các femtocell bằng mô hình MCPFQN

Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 71
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG 
CÁC FEMTOCELL BẰNG MÔ HÌNH MCPFQN 
Đỗ Phương Nhung1*, Dư Đình Viên2, Hồ Khánh Lâm3 
Tóm tắt: Chuyển giao trong các mạng thông tin di động thế hệ mới từ 4G luôn là 
một trong những hoạt động quan trọng đảm bảo bảo chất lượng các dịch vụ yêu cầu 
băng thông và tốc độ cao. Tính không đồng nhất của nhiều công nghệ mạng truyền 
thông chồng lấn nhau đòi hỏi cơ chế chuyển giao cho thiết bị đầu cuối di động với 
tốc độ cao vẫn phải thực hiện được các cuộc gọi liền mạch các dịch vụ. Bài báo này 
đề xuất một giải pháp phân tích chuyển giao sử dụng mạng hàng đợi đóng nhiều lớp 
(MCPFQN) với các kịch bản khác nhau về số lượng cuộc gọi đến so với dung lượng 
kênh cũng như các chế độ mạng hàng đợi khác nhau: FCFS-PS hoặc chỉ là FCFS. 
Kết quả cho thấy rằng hiệu năng hệ thống khi sử dụng FCFS-PS cao hơn so với khi 
sử dụng FCFS và khi tất cả các nút đều sử dụng chế độ hàng đợi là FCFS, hiệu 
năng tốt nhất ở kịch bản M/M/30/30 và kém nhất là kịch bản M/M/30/15. 
Từ khóa: Phân tích hiệu năng, Chuyển giao, Mạng Femtocell, Mạng hàng đợi đóng (MCPFQN). 
1. MỞ ĐẦU 
Chuyển giao là quá trình trong đó một giao dịch dữ liệu hoặc cuộc gọi hiện 
hành được chuyển từ một giao tiếp đến một giao tiếp khác mà không để ý tới yếu 
tố đầu cuối là di động. Các giao tiếp được liên kết qua mạng lõi MIPv6. Các cơ chế 
chuyển giao trong mạng di động 4G kéo theo giải quyết các vấn đề như: chuyển 
đổi địa chỉ IP, cường độ của tín hiệu thu, trễ chuyển giao, loại dịch vụ sử dụng, chi 
phí truyền thông, v.v Khi tần xuất chuyển giao tăng lên thì tải tăng (tăng các gói 
điều khiển), mất gói và trễ chuyển giao tăng... Chuyển giao gồm 3 giai đoạn [1]: 
phát hiện mạng, quyết định chuyển giao và thực hiện chuyển giao. Để giúp cho 
việc đưa ra quyết định hiệu quả, chúng tôi tiến hành nghiên cứu và đánh giá lưu 
lượng của các tế bào mục tiêu. Mô hình mạng Femtocell đã được đề xuất để hỗ trợ 
việc truyền thông không dây hiệu quả cao, các tác giả đã đánh giá mức ngưỡng 
cường độ tín hiệu thu được để thực hiện cân bằng tải đối với trạm BSS Femtocell 
[2]. Việc sử dụng mô hình Markov Chain để khảo sát, phân tích trong mạng cũng 
có nhiều kết quả tốt, như trong [3], các tác giả đã đề xuất mô hình khảo sát phổ và 
sử dụng năng lượng hiệu quả. Trong [4], các tác giả cũng thiết kế mô hình mô 
phỏng dùng Markov ẩn với mô hình đa trạng thái để tính toán. Các công bố nêu 
trên cùng với những nghiên cứu của chúng tôi thấy rằng, việc sử dụng mạng hàng 
đợi để giải quyết các bài toán về truyền thông là rất phù hợp. Đối tượng của lý 
thuyết hàng đợi có thể được mô tả như sau: một trung tâm dịch vụ và một số lượng 
khách hàng đến trung tâm để sử dụng dịch vụ, nhưng thực tế, tại một thời điểm, 
trung tâm dịch vụ chỉ phục vụ một số giới hạn khách hàng. Khi có thêm khách 
hàng đến trung tâm thì trung tâm không thể đáp ứng được, như vậy, khách hàng 
mới phải hàng đợi chờ đợi cho đến khi trung tâm dịch vụ có chỗ trống để phục vụ. 
Mục đích của bài báo là xây dựng mô hình hàng đợi đóng trong mạng 
Macrocell/ Femtocell nhằm đánh giá mối quan hệ giữa khả năng phục vụ các cuộc 
gọi mới, các cuộc gọi chuyển giao trong cùng Macrocell và giữa các Macrocell lân 
cận khi mà số lượng cuộc gọi đến và số lượng kênh phục vụ thay đổi, từ đó, sẽ chỉ 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
Đ. P. Nhung, D. Đ. Viên, H. K. Lâm, “Phân tích hiệu năng bằng mô hình MCPFQN.” 72 
ra được tế bào nào sẽ đáp ứng được nhu cầu của người dùng, phục vụ việc chọn 
mạng mục tiêu để chuyển giao một cách hiệu quả nhất. Bài báo có cấu trúc như 
sau: mục II mô tả mô hình hệ thống được đề xuất để khảo sát hành vi thực hiện 
cuộc gọi chuyển giao giữa 2 cấp Macrocell khác nhau và các phân tích theo lý 
thuyết Markov về mô hình hệ thống nói trên; Mục III trình bày trình bày việc mô 
phỏng hệ thống dùng phần mềm MVA và phân tích kết quả đạt được; Mục IV là 
kết luận nêu lên các đóng góp của bài báo. 
2. SỬ DỤNG MẠNG HÀNG ĐỢI NHIỀU LỚP PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG 
CHUYỂN GIAO 
 2.1. Mô hình hệ thống 
Xét một hệ thống mạng 
gồm có 2 Macrocell, trong mỗi 
Macrocell có 2 Femtocell. Giả 
sử các Femtocell sử dụng 
chung tần số với Macrocell 
nên trong một Femtocell sẽ có 
3 lưu lượng: các cuộc gọi mới 
(trong cùng một Femtocell), 
các cuộc gọi chuyển giao đến 
từ Femtocell trong cùng một 
Macrocell và các cuộc gọi chuyển giao đến từ Femtocell thuộc Macrocell lân cận). 
Để phân tích, hệ thống chuyển giao trên có thể được mô hình bởi mạng BCMP 
đóng với nhiều lớp cuộc gọi [5], các chính sách hàng đợi khác nhau và thời gian 
phục vụ phân bố mũ chung. Sở dĩ 2 Femtocell (i và j, k và l) của các Macrocell A 
và B khác nhau về loại hàng đợi vì nội dung của bài báo này cần phân tích hành vi 
của cell có xử lý các cuộc gọi chuyển giao dọc và trong trường hợp đó chúng cần 
có chia sẻ kênh. 
Giả thiết, hệ thống là mạng hàng đợi đóng bởi vì ta cho rằng số cuộc gọi mà các 
Femtocell có thể xử lý trong một thời điểm là hữu hạn. Mô hình mạng đóng được 
đề xuất cho ở hình 1. Các ký hiệu được quy ước như bảng 1, trong đó, mỗi loại 
cuộc gọi được đặc trưng bởi 3 thông số là số lượng cuộc gọi n , xác suất và tốc 
độ trung bình  tương ứng. 
Bảng 1. Các ký hiệu đối với mỗi loại cuộc gọi. 
Đặc tính Macrocell A Macrocell B 
Femtocell Ai Femtocell Aj Femtocell Bk Femtocell Bl 
Kiểu hàng đợi M/M/1-FCFS M/G/1-PS M/G/1 –PS M/M/1-FCFS 
Cuộc gọi mới , ,Aii Aii Aiin  , ,Ajj Ajj Ajjn  , ,Bkk Bkk Bkkn  , ,Bll Bll Blln  
Cuộc gọi chuyển giao trong cùng 
Macrocell 
, ,Aij Aij Aijn  , ,Aji Aji Ajin  , ,Bkl Bkl Bkln  , ,Blk Blk Blkn  
Cuộc gọi chuyển giao đến 
Macrocell lân cận 
- 
, ,
,
, ,Aj Bk Aj Bk
Aj Bk
n 

 , ,
,
, ,Bk Aj Bk Aj
Bk Aj
n 

 - 
Trung bình thời gian phục vụ Ai Aj  Bk Bl  
Trung bình tốc độ đến cell Aii Ajj  Bkk Bll  
Hình 1. Mạng hàng đợi đóng nhiều lớp cuộc gọi 
cho hệ thống chuyển giao trong mạng di động 4G. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 73
2.2. Phân tích mô hình 
Trước hết, ta nhóm các cuộc gọi theo các lớp cuộc gọi, ( 1,..., )r r R . Trong mỗi 
lớp các cuộc gọi có thời gian phục vụ trung bình và các suất định tuyến giống 
nhau. Ở trên, ta đã cho rằng các Femtocell có thể thực hiện 3 loại cuộc gọi khác 
nhau, do vậy, ta nhóm chúng thành 3 lớp (R=3) cuộc gọi: lớp các cuộc gọi mới, lớp 
các cuộc gọi chuyển giao trong cùng Femtocell và lớp các cuộc gọi chuyển giao 
sang Femtocell thuộc Macrocell lân cận. Cho rằng các cuộc gọi khi di chuyển qua 
các Femtocell (trong cùng một Macrocell và giữa các Macrocell khác nhau) không 
thay đổi lớp cuộc gọi. Như vậy, trên mạng cho ở hình 2 ta chọn Femtocell Aj và 
Femtocell Bk của hai Macrocell A và B để phân tích, vì chúng đều xử lý 3 loại cuộc 
gọi thuộc 3 lớp khác nhau. Tổng các xác suất định tuyến các cuộc gọi là: 
 1Aii Aij ; , 1Ajj Aji Aj Bk ; , 1Bkk Bkl Bk Aj ; 1Bll Blk . 
Tổng số các cuộc gọi ở Femtocell Aj : , ,Aj Ajj Aji Bk Aj Aj BkN n n n n (1) 
Tốc độ đến Femtocell j lớp mạng s (macrocell A) của các cuộc gọi chuyển giao 
từ Femtocell i lớp mạng r (macrocell A) là ,ir js . Khi đó, tổng tốc độ của các cuộc 
gọi chuyển giao dọc đến Femtocell j lớp s là: , ,
1 1
( )( )
rNR
vhj ir js ir js
r i
  
  (2) 
Femtocell j có tổng số cuộc gọi là jsN , ta có: js vhj hhj nwjN N N N (3) 
Trong đó, ,
1,
sN
hhj ks js
k k j
N n
  là tổng số cuộc gọi chuyển giao ngang từ một 
Femtocell ( 1,..., )sk k N đến Femtocell ( 1,..., )sj j N và ;k j nwj jssN n là tổng số cuộc gọi 
mới trong cùng Femtocell j của lớp mạng s. 
Thay vào (3) ta có: , ,
1, 1 1,
sr NNR
js ir js ks js jss
r r s i k k j
N n n n
    (4) 
Tổng tốc độ của tất cả các cuộc gọi đến Femtocell j của lớp mạng s : 
 , , , ,
1 1 1,
( )( ) ( )( )
sr NNR
js ir js ir js ks js ks js jss jss
r i k k j
    
   (5) 
Trong đó, , ,,ks js ks js là tốc độ và xác suất đến Femtocell j lớp mạng s của các cuộc 
gọi chuyển giao, ,jss jss là tốc độ và xác suất đến Femtocell j lớp mạng s của các 
cuộc gọi mới trong cùng một Femtocell j. Số lượng trung bình các cuộc gọi đến 
Femtocell j (hay tỷ số đến, tốc độ tương đối) của một cuộc gọi được xác định là: 
 , , , ,
1 1 1,
( )( ) ( )( )
sr NNR
js ir js ir ks ks js ks js jss jss
r i k k j
v v v v 
   (6) 
Trong mô hình mạng hàng đợi nhiều lớp, khi có cuộc gọi chuyển giao hay cuộc 
gọi mới, thì cuộc gọi không thay đổi lớp lớp mạng. 
Để phân tích hiệu năng của chuyển giao ta phân tích mô hình hàng đợi đóng 
nhiều lớp cuộc gọi được đề xuất ở hình 2, với các thông số hiệu năng sau đây đối 
với Femtocell j của mạng lớp s, nơi nhận các cuộc gọi chuyển giao: 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
Đ. P. Nhung, D. Đ. Viên, H. K. Lâm, “Phân tích hiệu năng bằng mô hình MCPFQN.” 74 
1) Tổng mức độ sử dụng của Femtocell j của lớp mạng s đồng thời tất các các cuộc 
gọi của các lớp khác nhau: 
1
, ,
0 1, 1 1,
( )
1
js sr
C NNR
js js js
js ir js ks js jss
j js
n r r s i k k j
C n N
U n n n
C N
    (7) 
Trong đó, jC là số kênh của cell j ; jsC là số kênh của cell j ở lớp s 
2) Số lượng trung bình các cuộc gọi ở Femtocell j lớp mạng s là: 
, , , ,
1, 1 1,
sr NNR
j ir js ir js ks js ks js jss jss
r r s i k k j
N n n n 
    (8) 
3) Đáp ứng trung bình của Femtocell j lớp mạng s đối với các các cuộc gọi đến 
Femtocell j tính theo luật Little: 
js
js
js
N
R

 . (9) 
3. MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 
3.1. Giới thiệu mô phỏng 
Hình 2. Mô hình mô phỏng dạng mạng hàng đợi đóng 
cho mạng Macrocell 2 mức. 
Mạng gồm 3 lớp công việc: job class 1 là các cuộc gọi mới; job class 2 là các 
cuộc gọi chuyển giao trong cùng Macrocell; job class 3 là các cuộc gọi chuyển 
giao đến từ Macrocell lân cận. Chọn chế độ làm việc cho mô hình Erlang 
M/M/ 1n / 2n (với 1n là dung lượng của hệ thống tức là số lượng kênh; 2n là số lượng 
cuộc gọi đến) của Femtocell Ai và Aj là FCFS và chế độ làm việc cho Femtocell 
Bk và Bl là PS; Chọn số lượng mẫu khảo sát là 2000000; số bước khảo sát N=10; 
Chọn các tốc độ đến cho: Cuộc gọi mới (class 1) được phân bố mũ với giá trị trung 
bình là 0,1sec; Cuộc gọi chuyển giao giữa các Femtocell của cùng một Macrocell 
(class2) được phân bố mũ với giá trị trung bình là 0,2sec; Cuộc gọi chuyển giao 
đến từ Macrocell lân cận (class3) được phân bố mũ với giá trị trung bình là 2sec. 
Phân bố thời gian phục vụ không phụ thuộc tải. Chúng ta thực hiện tính theo thuật 
toán phân tích giá trị trung bình MVA [6]. Các số đo hiệu năng của hệ thống 
Erlang M/M/ 1n / 2n là số lượng các cuộc gọi trung bình [ ]
m
iE N , đáp ứng trung bình 
[ ]miE R , mức độ sử dụng đối với các cuộc gọi. 
3.2. Các kịch bản, kết quả mô phỏng và thảo luận 
3.2.1. Kịch bản 1: Chọn thông số cho mô hình Erlang M/M/ 1n / 2n với 1 2n n , cụ thể 
1 2 30n n (kết quả là hình 3). 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 75
Hình 3. Kết quả mô phỏng theo kịch bản 1. 
Hình 4. So sánh số lượng cuộc gọi đến (a); 
Thời gian đáp ứng (b); Mức độ sử dụng (c). 
Từ hình 3, ta thấy, khi tăng 
dần số lượng 1 2n n thì hệ thống 
đáp ứng tốt, các thông số hiệu 
năng tăng đều, không có biến 
động, thể hiện chất lượng đảm 
bảo. Tuy nhiên, trong thực tế, 
không phải lúc nào số lượng 
băng thông sẵn có cũng đủ đáp 
ứng ngay cho mọi cuộc gọi, do 
vậy, khi 1 2n n thì hệ thống sẽ 
xảy ra các hiện tượng chia sẻ 
hoặc tranh chấp tài nguyên. Vì 
vậy, chúng tôi tiến hành đánh 
giá đối với kịch bản 2 ( 1 2n n ) 
và kịch bản 3 ( 1 2n n ). Các 
thông số hiệu năng đạt được 
trong cả 3 kịch bản được tổng 
hợp tại bảng 2, sau đó, tiến hành 
so sánh 3 kịch bản với nhau, 
được kết quả như hình 4. Qua 
đó, chúng tôi có nhận xét đối với kịch bản 1, số lượng cuộc gọi được phục vụ và 
Bảng 2. Tổng hợp kết quả theo 3 kịch bản. 
Bảng 3. Các thông số hiệu năng cuộc gọi 
chuyển giao đối với nút Aj dùng chế độ FCFS. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
Đ. P. Nhung, D. Đ. Viên, H. K. Lâm, “Phân tích hiệu năng bằng mô hình MCPFQN.” 76 
thời gian đáp ứng tốt nhất (hình 4a và 4b), mức độ sử dụng tương đương kịch bản 
3 (hình 4c). 
3.2.2. Kịch bản 2: Chọn 1 2n n (với 1 15n và 2 30n ) cho thấy cả 3 thông số hiệu 
năng khảo sát là thấp nhất (hình 4a, 4b, 4c). Đối với các giá trị khác thỏa mãn 
1 2n n cũng cho kết quả tương tự. 
3.2.3. Kịch bản 3: Chọn 1 2n n (với 1 30n và 2 15n ) chúng tôi thấy rằng mức độ 
sử dụng cao nhất (hình 4c); số lượng cuộc gọi được phục vụ đạt trung bình (hình 
4a) và thời gian đáp ứng 
không ổn định cho từng nút 
(hình 4b). Đối với các giá trị 
khác thỏa mãn 1 2n n cũng 
cho kết quả tương tự. 
Xét trường hợp khi tất cả 
các nút đều có chế độ hàng 
đợi là FCFS thì cho thầy kết quả tại nút Aj như bảng 3 (kết quả tương tự đối với 
nút Bk). Khi tiến hành so sánh trên hai mô hình hệ thống kiểu 1 có dùng hai chế độ 
là FCFS – PS (bảng 2) và hệ thống kiểu 2 chỉ dùng 1 chế độ FCFS (bảng 3) ta có 
kết quả là bảng 4. Qua đó, ta thấy các thông số hiệu năng khi kết hợp cả hai chế độ 
FCFS và PS tốt hơn so với khi dùng 1 chế độ là FCFS. 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo đã thể hiện được các đóng góp chính như sau: Xây dựng được các mô 
hình hàng đợi trong mạng Femtocell với các loại cuộc gọi khác nhau, các chế độ 
làm việc khác nhau cho mỗi lớp công việc khảo sát; Tiến hành khảo sát trên hệ 
thống M/M/n1/n2 với các mô hình hệ thống trong 3 kịch bản với các tham số n1 và 
n2 khác nhau phản ánh tính thực tế của nghiên cứu, từ đó cho thấy hiệu năng của 
mỗi kịch bản có những khác biệt rõ rệt để từ đó xây dựng mô hình tối ưu cho hệ 
thống; Mở rộng phân tích và đánh giá khi tất cả các nút đều có chế độ hàng đợi là 
FCFS cho thấy các thông số hiệu năng tốt nhất ở kịch bản M/M/30/30 và kém nhất 
là kịch bản M/M/30/15) Khi tiến hành so sánh trên hai mô hình hệ thống kiểu 1 có 
dùng hai chế độ là FCFS – PS và hệ thống kiểu 2 thì các thông số hiệu năng ở hệ 
thống kiểu 1 (FCFS-PS) cho độ ổn định cao hơn hệ thống kiểu 2 (FCFS). 
Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp của mô hình hàng đợi của hệ thống 
chuyển giao giữa các macrocell (4G) và femtocell được đề xuất trong bài báo này. 
Có thể phân tích quá trình chuyển giao thực tế hơn nếu thay đổi dung lượng băng 
thông, đáp ứng trung bình của các nút macrocell và femtocell, thay đổi tốc độ di 
động của thiết bị đầu cuối thông minh, một số thông số chất lượng dịch vụ theo cơ 
chế chuyển giao như: tỷ số rớt cuộc gọi, bảo an toàn dịch vụ, mức ưu tiên, 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Prakash.S, C.B.Akki, Kashyap Dhruve, “Handoff management architecture for 
4G networks over MIPv6”. IJCSNS International Journal of Computer Science 
and Network Security, Vol.10 (no.2) (2010), pp 267-274. 
[2]. P. Chowdhury, A. Kundu, I. S. Misra, S. K Sanyal, “Load balancing with 
reduced unnecessary handoff in energy efficient Macro/Femtocell based BNA 
Bảng 4. So sánh hiệu năng cuộc gọi chuyển giao 
đối với nút Aj trong hệ thống kiểu 1 và kiểu 2. 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 46, 12 - 2016 77
networks”, International Journal of Wireless & Mobile Networks (IJWMN) 
Vol. 4 (3), (2012), pp 105-118. 
[3]. X.Ge, T.Han, Y.Zhang, G.Mao, Cg-X. Wang, J. Zhang, B. Yang, and S. Pan, 
“Spectrum and Energy Efficiency Evaluation of Two-Tier Femtocell networks 
With Partially Open Channels”, IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR 
TECHNOLOGY, Vol 63(3) (2014), pp 1306-1319. 
[4]. Christopher H. Jackson, “Multi-State Models for Panel Data: The msm 
Package for R”, Journal of Statistical Software, Vol 38(8) (2011), pp 1-28. 
[5]. Hồ Khánh Lâm, “Mạng hàng đợi và chuỗi: Lý thuyết và ứng dụng”, NXB 
Khoa học và kỹ thuật, 2015. 
[6].  8/2016. 
ABSTRACT 
PERFORMANCE ANALYSIS OF HANDOVER IN FEMTOCELL NETWORK 
WITH MCFPQN 
Handover of next generation wireless 4G networks is one of the important 
characteristics that ensure quality of high-speed and broadband service 
requirements. Heterogenous of multiple communications technologies and 
overlapping networks require a delivery mechanism for mobile terminals to 
maintain a high-speed and to achieve the seamless call services. This paper 
proposes a transfer analysis solution using Multiclass Closed Product-Form 
Queuing Network (MCPFQN) with different scenarios of incomming calls in 
comparision with channel capacity as well as with different queues: FCFS-
PS or FCFS only. The results show that the performance of systems using 
FCFS-PS is better than FCFS; Moreover, when all nodes using FCFS the 
perfomance of systems is the best in the case of M/M/30/30 and the worst in 
the case of M/M/30/15. 
Keywords: Handover, Femtocell networks, Multiclass Closed Product-Form Queueing Network (MCPFQN), 
Performance analysis. 
Nhận bài ngày 20 tháng 7 năm 2016 
Hoàn thiện ngày 12 tháng 12 năm 2016 
Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 12 năm 2016 
Địa chỉ: 1 Khoa Kỹ thuật Viễn thông, Trường Cao đẳng Điện tử - Điện lạnh Hà Nội; 
 2 Trung tâm Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; 
 3 Khoa Công nghệ Thông tin, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên; 
 *Email: dophuongnhung@gmail.com.