CC BY
24
Анализ эффективности алгоритмов планирования передачи пакета в
сетях LTE
А.Н. Земцов1, Зунг Хань Чан2
1 Волгоградский государственный технический университет 2Национальный экономический университет
Аннотация: В работе анализируются различные подходы к планированию, которые входят в состав системы обеспечения качества обслуживания QoS в сетях стандарта LTE в ситуациях перегрузки сети трафиком данных. Использование различных стратегий для различных видов трафика позволяет операторам предлагать различные уровни качества обслуживания для пользователей голосовой связи. Приводятся оценки эффективности алгоритмов планирования передачи пакета.
Ключевые слова: LTE, Long-Term Evolution, scheduling algorithms, FIFO, Round Robin, Shortest Job First, Random Early Detection, RED, RR, SJF, QoS, VoIP, CSFB, VoLTE.
Начало XXI века связано с кардинальным изменением транспортных телекоммуникационных сетей - основным видом связи в мире стала мобильная связь. К концу первого десятилетия мобильную связь и беспроводной доступ стали рассматривать как взаимодействующие между собой сети радиодоступа Radio Access Network. GSM EDGE RAN (GERAN), UMTS Terrestrial RAN (UTRAN), Wireless Local Area Network (Wi-Fi) и др. стандарты 3-го поколения являются сетями радиодоступа [1].
В сотовых сетях 3-го поколения пропускная способность каналов связи составила порядка единиц мегабит в секунду. Для получения больших скоростей потребовалось увеличить рабочую полосу пропускания до 20 мегагерц и более, что привело к появлению стандартов 4-го поколения: LTE (Long-Term Evolution) и WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access).
Стандарт LTE ориентирован только на пакетную передачу трафика на основе технологии HSPA (High Speed Packet Access), впервые реализованной в сетях стандарта UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), и технологии EVDO (Evolution-Data Only), впервые реализованной в сетях
:
стандарта CDMA2000, в основе которых лежит идея использования каналов передачи с общей полосой частот, но с разными псевдослучайными двоичными последовательностями передатчика. Все интерфейсы сети LTE, кроме радиоинтерфейса, базируются на использовании протокола IP, поэтому сети стандарта LTE относят к IP-сетям [2].
LTE является эволюцией стандарта 3GPP UMTS. LTE включает сеть радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и новую системную архитектуру EPC (Evolved Packet Core Network).
Сети стандарта LTE ориентированы на использование глобальной пакетной сети GERAN и UTRAN для организации роуминга [3]. Архитектура интегральной сети мобильной связи показана на рисунке 1.
Рис. 1. - Архитектура интегральной сети мобильной связи
Архитектура сети стандарта ЬТБ разрабатывалась таким образом, чтобы обеспечивать передачу пакетного трафика с минимальными задержками доставки показателями качества обслуживания QoS [4]. В связи с
поставленной задачей актуальным является повышение эффективности алгоритмов планирования передачи пакетов в сетях LTE. В процессе обеспечения показателей качества QoS необходимо осуществлять планирование пакета для определения очередности обслуживания пакетов в конкретной очереди [5]. Необходимо отметить, что время планирования играет здесь важную роль [6].
Сети стандарта LTE должны поддерживать процедуры хэндовера и роуминга со всеми существующими сетями, для конечного оборудования необходимо обеспечить повсеместное покрытие услуг беспроводного широкополосного доступа [2, 3].
Пакетная передача позволяет объединить множество сервисов [7], включая передачу голосового трафика с использованием Circuit Switched FallBack (CSFB), Over the top (OTT) и основного Voice over LTE (VoLTE). В отличие от стандартов сетей предыдущих поколений, для которых характерна распределенная сетевая ответственность, архитектура сетей стандарта LTE является плоской, поскольку сетевое взаимодействие происходит между базовыми станциями LTE (eNodeB) и узлом управления мобильностью (Mobility Management Entity, MME), как правило, включающим сетевой шлюз - комбинированные устройства MME/GW.
Методом имитационного моделирования был проведен ряд экспериментов. Количество сгенерированных пакетов N = 10* 4- 10fr, размер
пакетов генерировался случайным образом. Интенсивность входного потока и интенсивность обслуживания задавались в диапазоне от 0 до 1. Помимо исследования зависимостей среднего времени обработки пакетов, среднего времени ожидания в очереди от различных параметров, особый интерес представляет анализ зависимости среднего времени обслуживания от интенсивности входного потока и зависимости числа обслуженных пакетов от интенсивности входного потока. Были реализованы 4 стратегии
обслуживания: FIFO (First In, First Out) или FCFS, RR (Round Robin) [8], SJF (Shortest Job First) [9] и RED (Random early detection) [10]. График зависимости среднего времени обслуживания от интенсивности входного потока показан на рисунке 2, а график зависимости числа обслуженных пакетов от интенсивности входного потока показан на рисунке 3. Результаты получены при заданной вероятности обслуживания 0.5.
I- FIFO--ARED - SJF - RR
120 у
100 -30 -50 -■ 40 -■ 20 -■
0 " I I I I I i I | Т Т 1 I I I I j Т Т Т \ I I I
0,0 0.2 0,4 0,6 0.8 1,0 1,2
Рис. 2. - График зависимости среднего времени обслуживания пакета от
интенсивности входного потока Стратегия обслуживания SJF позволяет обеспечить наименьшее среднее время обслуживания, это происходит вследствие того, что короткие пакеты проходят вперед в очереди и не ждут пока выполнятся долгие. Графики очередей FIFO и RR также достаточно похожи, очереди при использовании FIFO и RR заполняются весьма быстро. Очереди при использовании стратегии SJF заполняются более плавно. ARED позволяет удерживать очереди не заполненными до конца, поэтому при возникновении перегрузки сетевое устройство может принять дополнительные пакеты и обеспечить требуемый уровень обслуживания, в отличие от других стратегий. Среднее время обслуживания при использовании стратегий FIFO
и RR более, чем в 2 раза превышает идентичный показатель при использовании стратегии SJF. Необходимо отметить, что при других входных значениях, отличие может составлять более, чем в 10 раз.
f- FiFÇ - ¿RED - S-F - RR I
1 1 -,-,-,-1-.-.-,-1-,-,-,-1-,-.-,-1-,-.-.-1-,-,-,—
10 -j-
9
a ::
7 —
& -i
5 -4 —t—»—I-1—i-t-I—|—»-»—I—|-I-t—»—|-»—«—I-1—I—I-i-
0,0 0,2 0,4 0.6 0,8 1.0 1.2
Рис. 3. - График зависимости количества обслуженных пакетов от интенсивности входного потока
На графике зависимости количества обслуженных пакетов от интенсивности входного потока видно, что отказы в обслуживании имеются у всех рассматриваемых стратегий, из-за умеренного заполнения очереди при использовании стратегии SJF данный показатель несколько лучше. Необходимо отметить, что при других входных значениях, количество обслуженных пакетов может отличаться более, чем в 2 раза.
В ходе работы были проанализированы различные подходы к планированию, которые входят в состав системы обеспечения качества обслуживания QoS в сетях стандарта LTE. Анализ алгоритмов планирования показал, что стратегии FIFO и RR имеют самое большое среднее время обслуживания пакета при прочих равных условиях, а использование стратегии SJF позволяет добиться значимых результатов по сравнению с FIFO и RR. Очереди при использовании стратегии SJF заполняются более
плавно, чем при использовании FIFO и RR, а ARED позволяет удерживать очереди не заполненными до конца, поэтому представляет интерес разработка и использование в сетях стандарта LTE комбинированных стратегий обслуживания.
Литература
1. Zhang X. LTE Optimization Engineering Handbook. Wiley, 2018. 844 p.
2. Mousavi H. LTE physical layer: Performance analysis and evaluation // Applied Computing and Informatics, 2019. Vol. 15(1), pp. 34-44.
3. Asadi A. A survey on device-to-device communication in cellular networks // IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2014. Vol. 16(4). pp. 18011819.
4. Седов В. А., Седова Н.А. Самооценка системы менеджмента качества с использованием теории нечетких множеств // Программные системы и вычислительные методы, 2014. № 4. С. 456-463.
5. Шапошников, Д.Е. Применение принципа гарантированного результата для учёта качественной информации о предпочтениях при комплексной оценке качества функционирования телекоммуникационных сетей // Инженерный вестник Дона, 2014, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2574.
6. Ажмухамедов И.М., Гостюнин Ю.А. Выбор стратегии технического обслуживания и ремонта оборудования сетей связи на предприятиях нефтегазового комплекса // Инженерный вестник Дона, 2017, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4202.
7. Сироткин А.В., Бархатов Н.И. Модель системы автоматизированного управления информационным обслуживанием // Инженерный вестник Дона, 2013, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2021.
8. Rojas-Cessa, R., Oki E. Round-Robin Selection With Adaptable-Size Frame in a Combined Input-Crosspoint Buffered Switch // IEEE Communications Letters, 2003. Vol. 7(11). pp. 555-557.
9. Peckol J. Embedded Systems: A Contemporary Design Tool. Wiley, 2019. 900 p.
10.Floyd S., Jacobson V. Random early detection gateways for congestion avoidance // IEEE/ACM Transactions on Networking, 1993. Vol. 1(4). pp. 397-413.
References
1. Zhang X. LTE Optimization Engineering Handbook. Wiley, 2018. 844 p.
2. Mousavi H. Applied Computing and Informatics, 2019. Vol. 15(1), pp. 3444.
3. Asadi A. IEEE Communications Surveys and Tutorials, 2014. Vol. 16(4). pp.1801-1819.
4. Sedov V.A., Sedova N.A. Programmnye sistemy i vychislitel'nye metody, 2014. № 4. pp. 456-463.
5. Shaposhnikov, D.E. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2574.
6. Azhmuhamedov I.M., Gostjunin Ju.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2017/4202.
7. Sirotkin A.V., Barhatov N.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2021.
8. Rojas-Cessa, R., Oki E. IEEE Communications Letters, 2003. Vol. 7(11). pp. 555-557.
9. Peckol J. Embedded Systems: A Contemporary Design Tool. Wiley, 2019. 900 p.
:
lO.Floyd S., Jacobson V. IEEE/ACM Transactions on Networking, 1993. Vol. 1(4). pp. 397-413.
