Анализ схемы управления доступом в сети CDMA с резервированием для мягких хэндовер-вызовов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Анализ схемы управления доступом в сети CDMA с резервированием для мягких хэндовер-вызовов

Ключевые слова: управление доступом, CDMA, мягкий хэндовер-вызов, резервирование, порог уровня сигнала, система массового обслуживания, вероятность блокировки.

Построена аналитическая модель соты сети CDMA в виде системы массового обслуживания с очередями для новых вызовов и для хэндовер-вызовов и относительным приоритетом для хэндовер-вызовов за счет резервирования радиоресурсов. Для анализа системы построен процесс размножения и гибели с конечным множеством состояний и получены вероятностно-временные характеристики системы, в том числе вероятности блокировки новых и хэндовер-вызовов. Предметом исследования является сота сети CDMA в области мягкого хэндовера в предпаложеннии, что все соты рассматриваемой сети идентичны по размеру и числу каналов. Цель исследования — построение математической модели процесса обслуживания вызовов в соте сети CDMA, вычисление и анализ вероятностно-временных характеристик модели, что позволит оператору связи получить оценку нагрузки, создаваемой переданными вызовами в соте сети CDMA и требуемые параметры качества обслуживания QoS. В исследовании использованы методы теории вероятностей, теории случайных процессов, теории массового обслуживания и теории телетрафика. Область применения модели — анализ систем сотовой подвижной связи, мультисервисных сетей 3-го и последующих поколений. Создание математических моделей фрагментов сети сотовой связи для анализа и расчета характеристик сети позволит проектировать сети с учетом гарантированных значений показателей качества обслуживания и проводить оценку этих показателей для существующих сетей. Основные результаты, полученные в исследовании: построена математическая модель соты сети CDMA; описан процесс обслуживания вызовов в соте с помощью однородного марковского процесса; получены формулы для вычисления основных вероятностно-временных характеристик системы; приведен пример численного анализа модели соты беспроводной сети CDMA с заданными параметрами интенсивности поступления заявок, размера конечных очередей и фиксированного количества зарезервированных и полнодоступных каналов базовой станции.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-07-00953 а.

Ботвинко А.Ю.,

Институт криптографии и информатики, аспирант, botviay@sci.pfu.edu.ru

Самуйлов К.Е.,

Заведующий кафедрой систем телекоммуникаций РУДН,

д.т.н., профессор,

ksam@sd.pfu.edu.ru

Введение

Одной из наиболее актуальных задач при предоставлении услуг в сетях сотовой подвижной связи является обеспечение качества обслуживания (QoS, Quality of Service). Для анализа показателей качества необходима разработка новых моделей, учитывающих особенности обслуживания трафика разных типов [1]. В статье исследуется задача построения модели соты1 сети CDMA в области мягкого хэндовера (Softhandoff). Нагрузка, поступающая в соту CDMA-сети, порождается так называемыми "новыми вызовами", т.е. запросами на установление соединения, которые поступают от абонентов, находящихся в зоне покрытия базовой станции (БС) рассматриваемой соты, и так называемыми "хэндовер-вызовами", т.е. запросами на принятие абонентских вызовов, поступающими от соседних БС в ходе процедуры эстафетной передачи (хэндовера), необходимость которой вызвана передвижением мобильной станции (МС) из одной соты в другую. С точки зрения абонента разрыв текущего соединения вызывает более негативную реакцию, чем отказ в момент установления соединения [2], поэтому, как правило, хэндовер-вызовы! имеют приоритет относительно новых вызовов. Одним из механизмов обеспечения приоритетного обслуживания для хэндовер-вызовов является управление доступом (CAC, Call Admission Control). Базовая станция соты имеет конечное число радиоканалов, часть которых зарезервирована для обслуживания только для хэндовер-вызовов. Как только количество свободных каналов становится равным некоторому целочисленному порогу, входящие новые вы1зовы1 блокируются, а оставшиеся каналы! выделя-

ются только входящим хэндовер-вызовам. Базовая станция функционирует в таком режиме до тех пор, пока количество свободных каналов не превысит пороговое значение, после чего на обслуживание начинают приниматься вызовы обоих типов. Кроме того, для обеспечения требуемого качества обслуживания QoS в соте реализована стратегия обслуживания с ожиданием — организованы буферы1 конечной емкости для новых вызовов и для хэндо-вер-вызовов. При освобождении канала в первую очередь обслуживаются ожидающие хэндовер-вызовы, а лишь затем—новые вызовы. Показателями качества обслуживания QoS в соте сети CDMA являются вероятности блокировок вызовов обоих типов и задержки в очередях.

Для инициации механизма хэндовера в сотовой CDMA-сети используются два пороговых значения мощности сигнала PADD и PDROP (PADD> PDROP), измеряемые МС для каждой БС. Пороги PADD и PDROP зависят от зоны покрытия, области хэндовера и передающей мощности БС. При снижении уровня сигнала до значения PADD. БС начинает подготовку к процедуре хэндовера [3]. Подготовка заключается в рассылке запросов на хэндовер соседним БС. Если соседние БС не могут принять переходящий вызов в силу отсутствия свободных каналов (в модели такие вызовы должны попасть в очередь для хэндовер-вызовов) или если уровень сигнала от соседней БС к мобильной станции ниже, чем текущий уровень сигнала от данной БС, то запросы на хэндовер будут периодически повторяться до тех пор, пока уровень сигнала не поднимется до значения PADD либо не упадет до значения PDROP, в последнем случае БС в принудительном порядке начинает процедуру передачи вызова. Если в момент перехода в зону мягкого хэндовера имеется несколько БС, готовых принять на обслуживание передаваемый вызов, то вызов передается базовой станции, уровень сигнала которой выше, чем у других. В противном случае вызов прерывается [4]. Заметим, что гистерезисное управление нагрузкой с не-сколькими порогами активно использовалось для предотвращения перегрузок как в сетях сигнализации ОКС 7, так и в сетях современного сигнального протокола установления сессий (SIP, Session Initiation Protocol) [5,6].

Статья организованна следующим образом. В разделе 1 построена математическая модель соты сети CDMA в виде системы массового обслуживания (СМО) с двумя очередями. В разделе 2 приведены формулы для расчета вероятностно-временных характеристик (ВВХ) системы, а в разделе 3 - пример численного анализа ВВХ модели соты сети CDMA. В заключении приводится основные выводы исследования,

1. Построение математической модели обслуживания

вызовов в соте сети CDMA

Для анализа обслуживания вызовов в соте сети CDMA построена математическая модель в виде СМО с ожиданием и относительным приоритетом для хэндовер-выэовов. Предполагается, что новые вызовы и хэндовер-вызовы равномерно распределены по территории соты и образуют пуоссоновские потоки с интенсивностями и Ач соответственно [7].

Для обслуживания абонентской нагрузки БС имеет С каналов, В из которых являются полнодоступными, а С - В зарезервированы для обслуживания хэндовер-выэовов. Новые вызовы, в момент поступления которых в системе свободно менее В каналов, ожидают начала обслуживания в очереди Q, емкости JVv <сс. Хэндовер-вызовы, заставшие в момент поступления все

С каналов занятыми, поступают в очередь Q2 емкости М <оо-

Дисциплина обслуживания обеих очередей - FCFS.

Если в очереди Q, хэндовер-вызовов есть ожидающий вызов, то он поступит на обслуживание, как только в соте освободится хотя бы один канал. Новый вызов, ожидающий в очереди G„ проступит на обслуживание, если в момент освобождения канала в очереди Ог нет хэндовер-вызовов и если число свободных каналов в этот момент больше В, Поступающие вызовы, которые не могут быть принятыми в систему из-за нехватки мест в очереди, теряются, не оказывая влияния на функционирование системы.

Будем считать, что любой принятый на обслуживание вызов, как новый, так и хэндовер-вызов, с интенсивностью завершается внутри соты и с интенсивностью переходит в одну из соседних сот. Таким образом, любой принятый на обслуживание вызов в рассматриваемой соте удерживает канал случайное время, распределенное экспоненциально со средним 1/(1, где . . Абонент, новый вызов которого ожидает в оче-

реди Q,, может, не дождавшись соединения, перейти в одну из

соседних сот с интенсивностью, равной интенсивности хэндо-вера Аналогично, хэндовер-вызов, находящийся в очереди <3, (что соответствует нахождению абонента в области хэндо-вера) может либо завершиться с интенсивностью цс, либо принудительно прерваться с интенсивностью |.1ы, вследствие пересечения абонентом границы области хэндовера. Таким образом, вызовы, находящиеся в очередях О, и О, могут покидать их, не дождавшись начала обслуживания [5, 8].

Схема модели соты с приоритетом хэндовер-вызовов и конечными очередями для новых вызовов и хэндовер-вызовов показана на рис. 1.

04Qptdt (Л

к — 1 '1

i 1

свершение Разрыв -вк/тси юны прерывание

БЫЗРВЭ

очередь Qt

X

зс

потери переход в одну из сот (хэндовер)

Зарезервированные каналы

М = М<+Мс,

Полнодоступные каналы

Рис.1. Схема модели соты сети СОМА

2. Вероятностно-временные характеристики модели

Пусть = {(Г), %(!)), / £ О} " двумерный случайный

процесс с непрерывным временем и дискретным множеством состояний х=(Уу< где

'?] (О суммарное количество вызовов, обслуживаемых системой и ожидающих в очереди (Э2, в момент времени ^ - 0, а /1-,(*) - количество вызовов, ожидающих в очереди О, в тот же момент времени [3-5]. Процесс обслуживания вызовов в соте может быть описан СП Х(А, который является однородным марковским процессом над пространством состояний X с диаграммой интенсивностей переходов, изображенной на рис, 2,

СМЧЦ+HJ Cfi+ffuOb+Hu

nNMoi

Bfi+ftc

----4

B/i \ f{B+X)n Cu+N,M +M,

Рис. 2. Диаграмма интенсивностей переходов марковского процесса X(t)

Система уравнений равновесия для очередей конечной емкости может быть решена численно. Полученные при этом стационарные вероятности p(i,j), (/, /} еХ состояний СП X(f) позволяют определить следующие основные ВВХ системы.

— Вероятность блокировки нового вызова вследствие нехватки места в очереди Q,:

f,

i=B

— Вероятность блокировки хэндовер-вызова вследствие нехватки место в очереди Q,:

B„^P{C+Nfnj).

j=o

— Вероятность обслуживания с ожиданием для нового вызова:

C+Nfi л\

Av= I S pUJ)-

I=С jl

Интенсивность потока новых вызовов, перешедших вследствие хэндовера в соседние соты до начало обслуживания в рассматриваемой соте: Rh=/j.Ln-

— Интенсивность принятого потока хэндовер-вы зовов в соту: Ан =(\~В„)ХИ.

— Вероятность последующего хэндовера для хэндовер-вызова в рассматриваемой соте:

р - R'i

' тон ,

н

— Вероятность принудительного разрыва соединения для хэндовер-еызова: р = Bh + (1 — Bh)PTOH •

3. Пример численного анализа модели соты сети CDMA

Покажем результаты численного анализа модели соты беспроводной CDMA сети со следующими параметрами.

Таблица 1

Исходные данные

Параметр В С-В N„ Не H«

Значение 4 2 3 2 0,5 0,5 8

1

I 10J i

I

I ю"

5 i = = E = z i z

I — _ J__ I 4 I - -

i i --i — - i

- г i : "h" "f " : z -f. - I - 1- - 11 = ,= =

- J- - - >----1 - — 4-- - К — — 4 - - к — - 4 - ■---

Г n .— --1---- т - --f-- -i---4-- —i— — - ----

I I С ä I = =l= = = 3 = i = ^ = I 5 I = = 1= = = 3 = = i=l = t = = =

-- -iz - zd ~ — 1-- —r — - I- - Z 3 z -i— —t----

- — — j----1 — — (-- —f — - 1—---i — — t— —1 —^ _

- - 1-- • — i— — i —

_t___J _ _ \__ _ 1 _ _ _ __i _ . _ i_ _

= =5 = = t= г = =t = = = S 3 = : -—

znz. 2 с г Z 3.Z Z Z IZ Z Z J. 1 z\z z

- H —I - ---_ - —t — -1----+ - -1— - ----

- J - _ !____i - _ t_ - _ J _ _

= = = 3 = E не E = =j = = P = ; 3 ; ; -1= - = 5 = = =:

г 1 Z л Z I z iz z ; 3 ; " i

- I — r— — 1 — - ■ - r — *t — — — t— - I *— — — "T--

-1---1 1- 1 _1_

3 4 5 6 7 Интенсивность новы* вызовов

Рис.3. Зависимость вероятности блокировки новых вызовов от интенсивности новых вызовов

На рис. 3 изображен график зависимости основного показателя качества обслуживания рассматриваемой модели - вероятности блокировки новых вызовов Вп от интенсивности поступления новых вызовов в систему. Заметим, что при заданных нагрузочных параметрах увеличение емкости очереди новых вызовов О, позволяет обеспечить снижение вероятности блокировки новых вызовов.

Заключение

Анализ вероятностно-временных характеристик исследуемой модели позволил сделать следующие выводы:

— Увеличение емкости очереди новых вызовов позволяет значительно снизить вероятность блокировки новых вызовов.

— При различных значениях емкости очереди хэндовер-вызовов и неограниченном росте интенсивности новых вызовов рассматриваемая систему можно разделить на две независимые СМО М/M/B/Qn и M/M/C-B/Qh. Это связано с тем, что при достаточно больших вероятностях блокировок с ростом i

значение Д стабилизируется и перестает зависеть от 1 .

— Увеличение размера очереди хэндовер-вызовов эффективно снижает вероятность блокировки запросов хэндовера, но увеличивает вероятность блокировки новых вызовов.

— Изменение в площади покрытия мягкого хэндовера при изменении пороговых параметров Рдм:, и РМ0Р приводит к изменениям длин очередей новых вызовов и хэндовер-вызовов. Изменения длин очередей обратно пропорциональны радиусу соты.

— Для получения указанных в требованиях международных стандартов значений параметров QoS в условиях возможной блокировки новых и хэндовер-вызовов необходимо изменить значения пороговых параметров.

При дальнейших исследованиях организации очередей, основанной на схеме управления доступом для сотовой сети CDMA, могут быть рассмотрены различные классы заявок, имеющие разные значения пороговых параметров. Может быть проведён анализ мобильности, пороговых значений и площади покрытия мягкого хэндовера.

Литература

1. Башорин Г.П., Гайдамака Ю.В., Самуилов К.Е. Математической теория телетрафика и ее приложения к анализу мультисервисных сетей связи следующих поколений // Автоматика и вычислительная техника. 201 3. №2. Латвия, Рига. - С. I I -2 I.

2. Сомуйлое К. Е., Гудков а И.А. Анализ модели доступа в сети подвижной связи 4-го поколения с трафиком услуги Triple Ploy // Автоматика и вычислительная техника. 2013. №4. Латвия, Рига, Институт электроники и вычислительной техники Латвийского университета С. 53-64.

3. Dong Won TCHA, Soon Но 1EE and Go Whan JIN. Threshold-Type Call Control under the Outage Restriction in a CDMA Cellular System // IE1CE Trans.Commun. Vol E88-8. №9. September 2005. P 37013703.

4. C.Sivaradje, P.Dananjayan. A Prioritized Dynamic Channel Assignment Scheme Based on Mobility in Micro-Cellular Networks // Information Technology Journal 3. Asian Network for Scientific Information. 2004, P. 303-310.

24

T-Comm #9-2014

5. Aboev P., Gaidamaka Yu., Samouylov K., Shorgin 5, Design ond software architecture of SIP server For overload control simulation // Proc. of the 27th European Conference on Modelling and Simulation (ECMS 2013), May 27-30, Aaiesund, Norway. 2013. doi:l0.7148/2013-0580. ECMS 2013, Aaiesund, Norway. P. 580-586.

6. Гайдамака Ю.В., Печинкин A.B., Разумчик P.В., Самуилов А.К., Самуйлов К.Е., Соколов И.Д., Сопин Э.С., Шоргин С.Я. Распределение времени выхода из множества состояний перегрузки в системе

М|М| 1 |<L,H>| с гистерезисным управлением нагрузкой // Информатика и ее применения. 2013. Т. 7 №4. С. 20-33.

7. Song Lu, Zhisheng Ni и, Do ei Huang. Performance Analysis of Voice Message Service in CDMA Cellular System // Proceedings of ICCT2003. 2003. P. 891-895.

8. Borodakiy V.Y., Buturlin I.A., Gudkova I.A., Samouylov K.E. Modelling and analysing о dynamic resource allocation scheme for M2M traffic în LTE networks // Lecture Notes in Computer Science. Vol. 8121. Germany, Springer Berlin Heidelberg. 2013. P. 420-426.

Analysis of Call Admission Control Schemes in CDMA Network with Reservation for Soft Handovers Calls

Anatoly Yuryevich Botvinko, Cryptography Institute of Communications and Informatics, Moscow, Russia, botviay@sci.pfu.edu.ru Konstantin Yevgenyevich. Samouylov, Peoples' Friendship University, Moscow, Russia, Head of Telecommunications System Department, Doctor of Sciences, Professor

Abstract. An analytical model for a cell of CDMA network as a queuing system with two queues for new calls and for handover calls and relative priority for handover calls is proposed. For analysis of the system a birth-death process with a finite set of states is built and probability characteristics of the system including blocking probability of new and handover calls are obtained. Cell in CDMA cellar network is subject of research. Mathematical model cell of CDMA network and analysis of probability-time characteristics model are targets of thise research. The model is based on priority reservation for handoff calls along with call queuing scheme for new as well as handoff calls. Separate queues are considered for both new as well as handoff calls. Two dimensional Markov birth-death process is used for modeling the problem. The main methods of this article are methods of probability theory, theory of stochastic processes, queueing theory and theory of teletraffic. Keywords: call admission control, CDMA, soft handover, redundancy threshold, queuing system, blocking probability.

References

1. Basharin, G, Gaydamaka Yu, Samouylov K, (2013), "Mathematical theory of teletraffic and its applications to the analysis of multiservice network of the next generation" ["Matematicheskaya teoriya teletrafika i yeye prilozheniya k analizu multiservisnykh setey svyazi sleduyushchikh pokoleniy"], Automatic control and computer sciences, No2 , Latvia, Riga, pp. 11 21.

2. Samouylov K, Gudkova I (2013), "Analysis of access model network of the 4th generation traffic services Triple Play" ["Analiz modeli dostupa v seti podvizhnoy svyazi 4-go pokoleniya s trafikom uslugi Triple Play"], Automatic control and computer sciences, № 4, Latvia, Riga,. pp. 53-64.

3. Dong Wan TCHA, Soon Ho LEE and Go Whan JIN, ( Sept. 2005), "Threshold-Type Call Control under the Outage Restriction in a CDMA Cellular System", IEICE Trans.Commun, Vol E88-B. №0.9, pp. 3701-3703.

4. G Sivaradje, P Dananjayan. (2004), "A Prioritized Dynamic Channel Assignment Scheme Based on Mobility in Micro-Cellular Networks", Information Technology Journal 3, Asian Network for Scientific Information, pp. 303-310.

5. Abaev P, Gaidamaka Yu, Samouylov K, Shorgin S, (May 2013), "Design and software architecture of SIP server for overload control simulation", Proc. of the 27th European Conference on Modelling and Simulation (ECMS 2013), Aalesund, Norway.. doi:10.7148/2013-0580. ECMS 2013, Aalesund, Norway, pp. 580-586.

6. Gaydamaka Yu, Pechinkin A, Razumchik R, Samouylov A, Samouylov K, Sokolov I, Sopin E, Shorgin S, (2013), "The distribution exit time from the set of states in system overload M | M11 |<L,H>| with control hysteresis load" ["Raspredeleniye vremeni vykhoda iz mnozhestva sostoyaniy peregruzki v sisteme M|M| 1 |<L,H>| s gisterezisnym upravleniyem nagruzkoy"], Computer science and its applications Vol 7. № 4, pp.20-33.

7. Song Liu, Zhisheng Niu, Daei Huang (2003), "Performance Analysis of Voice Message Service in CDMA Cellular System", Proceedings of ICCT2003, pp.891-895.

8. Borodakiy VY, Buturlin IA, Gudkova IA, Samouylov K.E. (2013), "Modelling and analysing a dynamic resource allocation scheme for M2M traffic in LTE networks", Lecture Notes in Computer Science, Vol. 8121. Germany, Springer Berlin Heidelber, pp.420-426.

Dynamic sensor survey strategy, installed in industrial sites upon the dependent activity of sensors

Natalya Bogomolova, Bauman Moscow State Technical University, Associated Professor of Information Protection, Ph.D, nbogomolova09@gmail.com Elena Malikova, Moscow technical university of communications and informatics, Associate Professor of Communication Networks and Switching Systems,

Ph.D., emalikova@gmail.com

Abstract

This paper deals with emergency sensors group polling methods, which can be installed in technical constructions to control the structure condition. It is supposed to poll sensors, which are selected in accordance with the stochastic matrix, simultaneously by the common radio channel. The common radio channel is available only during the polling time, since allocating a permanent channel for every sensor for connection with the control station is economically unfeasible. The control station analyzes the obtained results and decides about activity of every sensor, which allows detecting accident situations in industrial sites. A monitoring network mathematical model is presented. It takes into account that when an accident situation occurs a random number of sensors may signalize. The decision about sensor activity is based on factor analysis using the maximum likelihood method. This method allows detecting accidents in industrial sites using number of polls which is smaller by several orders then the number of sensors in the network. The results of modeling with various parameters are presented and the conclusions are made. This method can be used in large industrial sites for a well-timed accident detection and removal.

Keywords: polling, wireless networks, monitoring, cyclic polling, telemetry, maximum probability method. References

1. Sakalema Domingush Zhaime. Mobile radio telecommunications. Moscow, 2012. 512 p.

2. Vishnevsky V.M., Portnoy S.L., Shanovich I.V. WiMAX encyclopedia. The way to 4G. Moscow, 2009. 472 p.

3. Malikova E.E. Group polling tasks for monitoring and large-capacity telemetry networks / T-Comm, No7, 2011. Pp. 106-109.

4. Malyutov M.B., Dyachkov A.G. About the weakly sharing plans / Information transmission and processing methods. Moscow, 1980. Pp. 87-104.

5. MalyutovM.B., Tsitovich I.I. Sequential search of essential variables of unknown function / Information transmission problems, Volume 33, Part. 4, 1997. Pp. 88-107.