Исследование эффективности совместной передачи разнородного трафика в соте сети LTE Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВМЕСТНОЙ ПЕРЕДАЧИ РАЗНОРОДНОГО ТРАФИКА В СОТЕ СЕТИ LTE

Антонова Вероника Михайловна,

МГТУ им. Баумана, Москва, Россия, [email protected]

Маликова Елена Егоровна,

МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 16-29-09497 офи-м)

Ключевые слова: сети LTE, эластичный трафик, параметры качества обслуживания - QoS, трафик реального времени, передача данных, ресурс сети, модель обслуживания трафика.

В настоящее время, в России функционируют около 300 сетей стандарта LTE. Повсеместное их проникновение вызывает ряд трудностей у оператора, в частности, проблемы возникают при передаче разнородного трафика. Трафик в сетях стандарта LTE можно условно разделить на два вида: трафик реального времени и эластичный трафик. Трафик реального времени очень чувствителен к задержкам и должен иметь фиксированную скорость передачи. К этому виду трафика относится речь, видеоконференции с разной степенью качества и т.д. Эластичный трафик используется, в основном, для передачи данных, и при этом его скорость передачи может меняться пропорционально остаточной пропускной способности соты. Это может происходить, например, при скачивании файлов, межмашинном обмене данными для Интернета вещей и т.д. Особенности передачи эластичного вида трафика позволяет существенно повысить эффективность использования ресурсов сети. Это особенно важно для сетей подвижной связи стандарта LTE, где абоненты используют устройства с интеллектуальными модемами, которые существенно увеличивают долю эластичного трафика. Очевидно, что совместная передача неоднородного трафика по сети нуждается в средствах контроля, обеспечивающих заданные показатели качества обслуживания поступающих заявок. Так при увеличении или уменьшении скорости передачи в тех же пропорциях уменьшается или увеличивается среднее значение остаточного времени на передачу файлов данных. Из теории телетрафика известно, что заявки на передачу файлов за счет стихийного захвата ресурсов вытесняют из обслуживания заявки на передачу трафика сервисов реального времени. Одним из способов контроля пропускной способности сотовой сети является введение ограничительных порогов для скорости передачи эластичного трафика данных. Для решения поставленной задачи в статье рассматривается решение задачи планирования пропускной способности и допустимого объема трафика, передаваемого через соту сети LTE, при этом он должен быть передан с заданными показателями качества обслуживания.

Информация об авторах:

Антонова Вероника Михайловна, ассистент, МГТУ им. Баумана, Москва, Россия

Маликова Елена Егоровна, доцент кафедры Сети связи и системы коммутации МТУСИ, к.т.н., доцент, Москва, Россия

Для цитирования:

Антонова В.М., Маликова Е.Е. Исследование эффективности совместной передачи разнородного трафика в соте сети LTE // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №9. С. 22-25.

For citation:

Antonova V.M., Malikova E.E. (2017). Aspects of the building a system of network synchronization signals in frequency, phase shift and time.

T-Comm, vol. 11, no.9, рр. 22-25. (in Russian)

Рассмотрим процесс распределения ресурса в отдельной соте сети стандарта LTE [1]. Обозначим через (ir,L) вектор

состояния числа Заявок находящихся на обслуживании р, соте [2]. Здесь f — число заявок на передачу трафика реального времени, f — число заявок на передачу файлов данных. Примем, что время обслуживания каждой из [ заявок на передачу [рафика реального времени имеет экспоненциальное распределение с параметром й .При этом для

обслуживания трафика реального времени в состоянии (irJj)выделяется ресурс соты в размере Lçr бит/с.

Также примем, что время обслуживания каждой из id заявок на передачу файлов данных в состоянии

(îr,il) имеет экспоненциальное распределение. Обозначим

параметр распределения через ил. Величина цt зависит от

степени загрузки соты. При этом, если выполняется соотношение /гс, + i,с, < С - то каждый из / / обслуживаемых файлов передается с максимально возможной скоростью с,.

В этой ситуации па обслуживание трафика данных в состоянии ) выделяется ресурс соты в размере i ç би г/с, часть

ресурса соты в размере C-ircr-i,t\ остается н ез а действо-

ванной в силу ограничений на максимально возможную скорость передачи данных. Если же выполняется обратное соотношение/^>С, то каждый из обслуживаемых в

состоянии (i,)файлов передается со скоростью

С—i,c„

II

— - - — -- -

- - -- - -

— А, Ad Ad X, А, - Ad

— - - - - - -

to

t5

В этой ситуации на обслуживание трафика данных выделяется весь оставшийся ресурс соты в размере С-ircr бит/с.

Таким образом, при увеличении или уменьшении скорости передачи в той же пропорции уменьшается пли увеличивается среднее значение остаточного времени обслуживания заявки на передачу файла данных [3. 4].

Изменение скорости передачи данных осуществляется динамически в соответствии с загрузкой соты. При малой загрузке данные передаются с максимально возможной скор ость юс,. которая поддерживается техническими возможностями сети LTE, при большой загрузке - с минимальной скоростью с\. При атом используемый ресурс, а, следовательно, и скорость передачи графика сервисов реального времени не меняются.

В качестве примера распределения ресурса передачи информации рассмотрен процесс поступления и обслуживания заявок (рис.1) в ситуации, когда пропускная способность соты С — 3 0 Мбит/с, скорость трафика реального времени Cf = 1 Мбит/с, скорость передачи файлов данных меняется

ОТ С, — 1 Мбит/с до С-, — 2 Мбит/с, при этом сота находится

в состоянии (2,2), то есть ¡¡а обслуживании в соте находятся две заявки реального времени и две заявки на передачу файлов данных.

В рассматриваемый момент времени llt в состоянии (2,2) в соте занят ресурс cfJ =2 + 2x2 = 6 Мбит/с.

Рис. 1. Пример распределения ресурса для исследуемой модели соты сети Стандарта ЬТЕ

Допустим в момент / поступает заявка на передачу трафика реального времени. Она принимается к обслуживанию и система переходит в состояние (3,2). В этом состоянии сг 4 = 3 + 2 х 2 = 7 Мбит/с. Допустим в момент поступает

заявка на передачу файла данных. Она принимается к обслуживанию на максимальной скорости с; = 2 Мбит/с и система переходит в состояние (3,3). В этом состоянии с 1 = 3 + 3-х 2 = 9 Мбит/с. Далее в момент ^ поступает еще

одна заявка на передачу файла данных. Она принимается к обслуживанию. Система переходит в состояние (3, 4).

При этом скорость передачи всех принятых файлов, включая посту и и ни 1у ю заявку, находится из выражения:

10 — 3

__1,75Мбит/с. Пусть теперь в момент / поступает

4

заявка на передачу трафика реального времени. Она принимается к обслуживанию. Система переходит в состояние (4,4). При этом скорость передачи всех принятых файлов

данных меняется и становится равной 'Л = 1,5 Мбит/с.

4

В следующий момент опять поступает заявка на передачу

трафика реального времени. Она принимается к обслуживанию. Система переходит в состояние (5. 4). При этом скорость передачи всех принятых файлов данных меняется па

= 1,25 Мбит/с. Далее в момент поступает заявка на

4

передачу еще одного файла данных. Она принимается к обслуживанию. Система переходит в состояние (5,5). При этом скорость передачи всех принятых файлов данных, включая

поступившую заявку, находится из выражения: Ю-з =;

5

Мбит/с и данные передаются с минимально возможной скоростью. Если в системе не произойдет окончания обслуживания какой-либо заявки, то вновь поступившая заявка любого типа получит отказ в обслуживании.

Качество обслуживания заявок на передачу графика реального времени оценивается долей потерянных заявок и средним значением используемого ресурса соты, выраженного в битах в секунду [5, б]. Качество обслуживания файлов эластичного графика зададим долен заявок, которым отказано в допуске к обслуживанию, и средним временем доставки соответствующего информационного сообщения.

Для анализируемой » работе марковской модели эти характеристики, а так же ряд других характеристик могут быть Найдены суммированием стационарных вероятностей p(if,id) марковского процесса г<L> по отдельным подмножествам пространства состояний S. Среднее значение ресурса передачи информации соты s , занятого па обслуживание

заявок на передачу графика реального времени, находится из соотношения: * = Y p(i , / )¿ с .

г Ы| i,.I,, tes ' 1 J ' г r

Среднее значение ресурса передачи информации соты sd, занятого на передачу файлов, находится из соотношения

Выполним анализ зависимости основных вероятностных характеристик исследуемой модели от увеличения трафика. Возьмем следующие фиксированные значения входных параметров: С = 100 Мбит/с. сг— 3 Мбит/с, с = 1 Мбит/с,

с-, — 5 Мбит/с, среднее значение объема передаваемого файла данных примем Р = 16 Мбайт. Будем предполагать, что заявки на передачу трафика данных поступают в сто раз чаще. чем заявки на передачу графика реального времени. Обозначим через р минимальную потенциальную загрузку единицы ресурса передачи соты.

На рисунке 2 представлены результаты расчета средних значений распределения скоростей соты $г и .использованных соответственно на передачу графика сервисов реального времени и; файлов данных.

пм И «

! : il ;:

и*

i»

»

» »

(»спреи

—

г- Тонфиь <

оергдя'ш i|infl ЛАП

— ' Гряфтч P« "».йог« М|И'Л|еШ|

, 1

DJ? O'" IJ? KoïMKiarn Iifïrttl г.

Рис. 2, Среднее использование ресурса соты на передачу трафика реального времени и данных при увеличении минимальной потенциальной загрузки единицы ресурса передачи соты Поступающим трафиком

Показано, что с ростом нагрузки - р ресурс соты, использованный на передачу трафика реального времени сначала растет, а затем начинает уменьшаться. Это происходит из-за того, что минимальный ресурс, необходимый для обслуживания ОДНОЙ заявки на передачу файлов данных меньше, чем ресурс необходимый для передачи графика реального времени. 11о этой причине заявки на передачу файлов вытесняют из обслуживания заявки на передачу трафнка сервисов реального времени [7]. На рисунке также показано суммарное использование ресурса соты. С ростом

р оно приближается к максимальной пропускной споеоо-носгн соты С = 100 Мбит/с.

Из условий построения модели следует, что при малой загрузке соты данные будут передаваться с максимально допустимой скоростью. В рассматриваемом примере с 1 стремится к 5 Мбит/с. На рисунке 3 показаны результаты

определения с . При этом с ростом нагрузки загрузка ресурса соты растет, полому трафик данных постепенно начинает обслуживаться с минимально допустимой скорос тью с, = 1 Мбит/с и возникают перегрузки.

W4

It'll •

5¡1

in

'l.K" ti" »z?? í,«>4>!)aa»rmr i vi ru

I !.<•

PMTPrt. 0

Put. 3. Среднее использование ресурса соты ва передачу файла при увеличении минимальной потенциальной загрузки единицы ресурса передачи соты поступающим трафиком

Вы йоды

В работе исследованы характеристики показателей совместного Обслуживания заявок в соте сети LTLÍ, реального времени и эластичного трафика данных для повышения загрузки ресурса соты. Построенная модель лает возможность численно оценить преимущества совместной передачи графика речи и данных. Рассмотрено решение задач планирования пропускной способности соты, а также допустимого объема трафика, который может быть передан с заданными показателями качества обслуживания.

Литература

1. Скрынников В.Г. Радиоподсиствмы LTMTS/LTIE. Теория и практика. M.: Издательство «Спорт и Культуре - 2000», 2012. 864 с.

2. Степанов СЛ. Модель обслуживания графика сервисов реального времени и данных с динамически изменяемой скоростью передачи // Автоматика и телемеханика. 2010. № I. С. 18-33.

3. Степанов С И. Модель совместного обслуживания графика сервисов реального времени и данных. I // Автоматика и телемеханика. 2011. № 4. С. 121-132.

4. Степанов С.И. Модель совместного обслуживания трафика сервисов реального времени к данных. II И Автоматика и телемеханика. 2011.№5.С. 134-147.

5. Антонова В.М. Оценка канального ресурса для разноскоро-стных соединений на фрагменте сети LTE // Естественные ti технические науки, 2014. № 10. С. 356-358.

6. Антонова В.М., Малахова Е.Е. Исследование взаимного влияния полезного и служебного трафика в сетях LTE И T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2014, №9. С. 17-19,

7. Антонова В М.. Цирик Н А Управление доступом новых требовании на фрагменте сети LTE // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2015. Т. 15. № 5. С. 226-228.

8. http://www.rn fomm.ni/rtews/artiçle/100885.htm (дата обращения 20.03.2017).

COMMUNICATIONS

ASPECTS OF THE BUILDING A SYSTEM OF NETWORK SYNCHRONIZATION SIGNALS

IN FREQUENCY, PHASE SHIFT AND TIME

Antonova Veronika Mikhailovna, Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia, [email protected]

Malikova Elena Egorovna, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia,

[email protected]

Abstract

Nowadays, about 300 LTE networks are operating in Russia. Their widespread deployment causes some difficulties to operators; in particular, problems arise when heterogeneous traffic is transmitted. Traffic in LTE networks can be divided into two kinds: the real-time traffic and the elastic one. The real-time traffic is delay sensitive and is to be conveyed at a fixed speed. This type of traffic comprises voice, videoconferencing of different quality and so on. The elastic traffic is generally used for data transmission; therefore its transfer rate can vary in proportion to the residual cell capacity. This may happen, for instance, while downloading files, transmitting M2M data for the Internet of things, etc. The process of conveying elastic traffic allows increasing the efficiency of network resources considerably. This is essential for mobile communications networks of LTE standard in which subscribers use devices with intelligent modems that increase the elastic traffic portion significantly. Simultaneous transmission of heterogeneous traffic over a network obviously needs some control tools that will ensure the desired quality of service (QoS) for arriving requests. Thereby when the transmission speed increases or decreases, the mean value of residual time for data file transfer decreases or increases proportionally. According to tele-traffic theory, the requests for file transmission at the expense of spontaneous resource seizing force the requests for traffic transmission of real time services out of processing. One of the ways to control the cellular network throughput is to set limits to the speed of elastic data traffic transmission. In order to solve the given task the article considers the problem of programming the throughput and acceptable amount of traffic conveyed through the cell of an LTE network while transmitting it with the desired QoS.

Keywords: LTE networks, elastic traffic, QoS, real time traffic, data transfer, network resource, traffic servicing model. References

1. Skrynnikov, V.G. (2012). UMTS/LTE Radio Subsystems. Theory and Practice. Moscow: Sport and Culture - 2000 Publishing House, 864 p. (In Russian)

2. Stepanov, S.N. (2010). The Model for Servicing the Real Time Traffic and Data with a Dynamically Changeable Speed of Transmission. Automation and Remote Control, Vol. 71, Issue 1, pp. 18-33. (In Russian)

3. Stepanov, S.N. (201 1). Model of joint servicing of real-time service traffic and data traffic. I. Automation and Remote Control, Vol. 72, Issue 4. pp. 121-132. (In Russian)

4. Stepanov, S.N. (201 1). Model of joint servicing of real-time service traffic and data traffic. II. Automation and Remote Control, Vol. 72, Issue 5. pp. 139-147. (In Russian)

5. Antonova, V.M. (2014). Channel Resource Assessment for Multi-Mode Links on an LTE Network Segment. Natural and Technical Sciences, No.10. pp. 356-358. (In Russian)

6. Antonova V.M., Malikova E.E. (2014). The Research of the Influence of the Service and the Information Traffic on Each Other in LTE Networks. T-Comm, No.9. pp. 17-19. (In Russian)

7. Antonova V.M., Tsirik I.A. (2015). Access Control of New Requests in an LTE Network Segment. Fundamental Problems of Radioengineering and Device Construction, Vol.15, No.5. pp. 226-228. (In Russian)

8. http://www.mforum.ru/news/article/l00885.htm (usage date: 20.03.2017). (In Russian) Information about authors:

Antonova Veronika Mikhailovna, Assistant, Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Malikova Elena Egorovna, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia