CC BY
68
21 декабря 2011 г. 16:47
"Инфокоммуникачионно-управленческие сети. Расчет и оптимизация систем связи"
К анализу методов балансировки нагрузки несущей в системах ИЕ-АОУАЫСЕО
Построена модель трафика для множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA), используемого в сетях LTE и LTE-Advanced, исследованы методы балансировки нагрузки несущей. На основании построенной модели проведен сравнительный анализ методов балансировки нагрузки, исследованы такие параметры производительности как средняя пропускная способность соты и средняя пропускная способность на одного пользователя.
Ключевые слова: LTE-Advanced, эластичный трафик, адаптивная многоскоростная система.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 10-07-00487-а).
Самуйлов К.Е.,
заведующий кафедрой систем телекоммуникаций РУДН, ksam@sci.pfu.edu.ru
Сопин Э.С.,
аспирант кафедры систем телекоммуникаций РУДН, sopin-eduard@yandex.ru
Введение
Стандартизация и развитие радиоинтерфейса Е-UTRA (Evolved Universal Terrestrial Radio Access) продолжается в рамках Проекта долгосрочной эволюции (Long Term Evolution - LTE) партнерством 3GPP (3 Generation Partnership Project). Основной целью проекта LTE, начатого в 2004 году, является уменьшение задержек, увеличение скорости передачи данных, улучшение производительности системы, а также снижение затрат оператора. Система LTE-Advanced является дальнейшим развитием LTE в отношении поддерживаемой ширины частотного канала, спектральной эффективности и пиковой скорости передачи данных.
В системе LTE (3GPP Release 8 и 9) для масштабируемости и более гибкого использования частотного спектра ширина частотных каналов не была жестко зафиксирована, они могут быть 1,4; 3; 5; 10; 15 и 20 МГц [2]. В отличие от LTE система LTE-Advanced должна поддерживать более широкий диапазон частот, до 100 МГц [1]. Для формирования таких широкополосных частотных каналов в системе LTE-Advanced используется принцип агрегации (суммирования) базовых каналов, называемых компонентными несущими (Component Carriers - СС).
Рассматриваются два метода балансировки нагрузки на компонентные несущие LTE-Advanced: метод выделения каждому пользователю всех компонентных несущих и метод RR (Round Robin, обслуживание по круговой системе) с прикреплением пользователя к некоторой компонентной несущей. Построена модель трафика системы LTE-Advanced как для случая одной компонентной несущей, так и для случая агрегации нескольких СС. На основе построенной модели проведено сравнение эффективности методов балансировки. Основными критериями эффективности считались
средняя пропускная способность соты и средняя скорость получения данных пользователем.
1. Основные принципы функционирования радиоинтерфейса LTE
В нисходящем канале LTE используется перспективная технология мультиплексирования OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), изначально разработанная для систем WiMAX. В системе OFDM входной поток данных (пользовательских аудио-, видео- и медиапакетов) разделен на несколько параллельных под-потоков, каждый из которых модулируется и передается на отдельной ортогональной поднесущей частоте.
Физический уровень сети LTE состоит из частотновременных блоков PRB (Physical Resource Block). Блок PRB является условной единицей использования частотно-временного ресурса. Блок включает в себя 12 под-несущих частот и имеет длительность одного временного слота (0,5 мс), т.е. семь или шесть OFDM-символов. Формирование сигнала с заданной шириной спектра осуществляется путем стыковки нескольких блоков PRB. Распределение блоков PRB между пользовательскими терминалами выполняется базовыми станциями.
II □ I»
Рис. 1. Частотно-временная структура блока PRB (3).
136
Планировщик пакетов в частотном домене (FDPS -Frequency Donrrain Packet Scheduler), используя информацию о состоянии каналов (CQI - Channel Quality Information), может серьезно улучшить производительность системы. FDPS находится в базовой станции и для каждого подмножества пакетов но основе размера буфера и состояния канала принимает решение о скорости передачи, выделении блоков PRB в частотном диапазоне и других параметрах. Отчеты CQI поступают к программе-планировщику от пользовательских терминалов, такая информация может включать оценку интерференции, коэффициента соотношения сигнал/шум, и др. Как показывают исследования [4], выгода от применения FDPS сильно зависит от точности отчетов CQI и степени свободы планировщика в распределении блоков PRB между пользовательскими терминалами, в некоторых ситуациях она может достигать 40-55%.
Принцип агрегации компонентных несущих для формирования широкополосных частотных каналов в системе LTE-Advanced позволяет удовлетворить требования МСЭ и 3GPP к суммарной ширине полосы канала до 100 МГц и максимальной скорости передачи данных до 1Гбит/с, а также обеспечивает совместимость с системой LTE Release 8 и гибкое использование выделенного спектра. Отметим, что компонентные несущие необязательно должны быть смежными [6].
Рассматриваются два метода балансировки нагрузки по компонентным несущим. Метод выделения пользователю всех СС агрегирует все компонентные несущие в единый логический канал. Такой метод оптимально распределяет нагрузку и, таким образом, достигается наилучшая производительность. Агрегирование компонентных несущих поддерживается только с 10-го релиза 3GPP, т.е. только для систем LTE-Advanced.
Основная идея балансировки нагрузки методом RR с прикреплением пользователя к одной компонентной несущей в том, что вновь поступивший в систему пользователь прикрепляется к той СС, которая меньше всех загружено. В случае, когда наименьшая нагрузка приходится на несколько компонентных несущих, вновь поступивший пользователь прикрепляется к одной из них равновероятно. Таким образом, данный метод тоже обеспечивает неплохую балансировку нагрузки между компонентными несущими.
2. Построение модели АМС с эластичным трафиком.
Сначала мы построим модель системы, состоящей из одной компонентной несущей. Будем считать, что в систему поступает пуассоновский поток требований с интенсивностью Л на передачу данных. Пользователи передают некоторый объем данных, распределенный по экспоненциальному закону со средним /' (Мбит), и затем покидают систему. В системе может одновременно обслуживаться не более V пользователей. Пропускная способность частотного канала равна С(Мбит/с). Обозначим р - kF /С - предложенная нагрузка.
Характерная особенность адаптивных многоскоростных систем (АМС) в том, что интенсивность обслуживания пользователей зависит от состояния системы. Если в момент поступления пользователя на обслуживание система находится в состоянии к (т.е. ширина частотного канала
разделена на к пользователей), то АМС-система перераспределяет частотный ресурс между к1 пользователями. По завершении обслуживания происходит обратный процесс: освободившийся частотный ресурс распределяется между оставшимися пользователями.
Для расчета выгоды от применения планировщика ГОРБ используется следующее приближение [4, 5]:
(I к = \:
О(А-) - 0.11 * 1п(А-) + 1.1, 1 < А13:
[1.З8. къ 13:
где к - число обслуживающихся пользователей (состояние системы). Тогда суммарная скорость передачи
данных в системе в состоянии к равна (’ Ык) г а ско.
О(оо)
рость передачи данных на каждого пользователя -С* д.\ _- Таким образом, интенсивность
ю'ь’ A-G( оо)
обслуживания удовлетворяет соотношению
г с,(к)
* ^АО(оо)
Построенный процесс является процессом рождения-гибели, стационарные вероятности рк. О й к £ которого находятся по формуле
П * А Г~Т (*(°°) . ,
Рк=рЛ\—=а>р ПтчТГ 1йкй'г-
,с| ¡Я ,=|
-1
1 +
3 Г
где р - - предложенная нагрузка. На основе фор-
С
мул (3) и (4) вычисляется вероятность блокировки системы /Г:
V I—| О(оо)
Г'Р^РоР П—■
Пусть теперь, при сохранении остальных предположений, имеется // компонентных несущих с пиковой скоростью передачи данных С 9 / = |4ц.
Если для балансировки нагрузки используется метод выделения пользователю всех компонентных несущих, то для вычисления стационарных вероятностей можно в полной мере воспользоваться формулами (3), (4) и (5),
обозначив ^ •
В случае использования метода RR с прикреплением пользователя к одной компонентной несущей получаем // -мерный процесс рождения-гибели с пространством состояний
- к, S V. OS*, £
I-]
где
kj - количество пользователей, прикрепленных к / -й компонентной несущей. Пусть
/"“"(к)»
О,
<•, > пип J. к, = mm U!
137
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
и .V | к| = V/"""(к) Введем подпространства
/=1
Я, ={ке5:(/,т‘*(к) = |)п(*.<у)} и ^ = |к€л|(/,пип(к| = о)^(*.=>)| Подпространство
»V, - это множество состояний системы, при которых вновь поступивший пользователь может быть прикреплен к / -й СС с ненулевой вероятностью, о подпространство Я * множество состояний, при которых вновь поступивший пользователь не может быть прикреплен к / -й компонентной несущей. Фрагмент диаграммы интенсивности переходов данного процесса представлен на рис. 2.
Рис. 2. Фрагмент диаграммы интенсивностей переходов
Здесь /,(к) имеет смысл вероятности того, что при поступлении новой заявки система перейдет из состояния к в состояние к +е,:
|0. если к є.У,;
/,<к>“< I
-------. если к € .V
Обозначим /4,= О и выпишем уравнения глобального баланса для данного процесса.
я
к|(л£/<к) + £*//, 1 = /.£ /;<к - е, )/Хк-е,Н
V »-» »-I / »-I
+Х(*.+1К.1/,,к+е.)- ке'>'
г 1
С помощью системы уравнений глобального баланса и условия нормировки вычисляются стационарные вероятности системы и вероятность блокировки 71. Для этого обозначим множество блокировок
Яв = {к е .V: к. = г} и получим ,= £ /)(к|.
2. Сравнительный анализ методов балансировки нагрузки
При сравнении рассмотренных методов балансировки нагрузки на компонентные несущие учитывались два критерия: суммарная пропускная способность сети и средняя пропускная способность на пользователя.
Суммарная пропускная способность сети вычисляется по формуле (9), а средняя пропускная способность на пользователя по формулам (10) и (11) для метода выделения пользователю всех СС и балансировки ме-
тодом (№ с прикреплением пользователя к одной компонентной несущей соответственно.
/-•1 V1 Л ... Г4 ( С7(А’)
паты ~ 2I* Л палы * ’ — Л ~Г 7Т
м м * °(х>
^ латы 'Е.1’{к)('па,ьА'='Е.1Лк) —
у(. <’(к,)
’ О(оо)
к=5 к€$
Численный эксперимент проводился со следующими начальными данными. Четыре компонентные несущие по 10МГц каждая дают суммарную пиковую скорость передачи данных ('=49Мбит/с. В система одновременно может обслуживать не более Г=50 пользователей, средний объем данных Ь', передаваемых пользователем, равен 2Мбит.
и ъо
X
5 40
£
1 30
1 20
1
10
1 с
выделение всех СС для иЕ
— — - ЯЯ с прикреплением иЕ кСС
0.16 0.33 0.49 0.65 0.82 0.98 1,14 1.31 1.47
Предложенная нагрузка, Эрл
Рис. 3. Зависимость пропускной способности соты от предложенной нагрузки
На рис. 3 показана зависимость пропускной способности соты от предложенной нагрузки. График показывает, что пропускная способность системьгпрактически инвариантна относительно методов балансировки нагрузки, только при сильных перегрузках (р > 1) проявляется небольшое преимущество (»0,2%) метода выделения всех компонентных несущих каждому пользователю. А значит, то же самое можно сказать и про вероятность блокировки системы. (7)
30
£ £ І " 5 2 3 3 1 2 5 2 1* выделение всея СС для ІІЕ
20 — — - ЯЯ с прикреплением иЕ к СС
— —
-
0.16 0.33 0.49 0.65 0.82 0.98 1.14 1.31 1.47
Предложенная нагрузка, Эрл
Рис. 4. Зависимость средней пропускной способности на одного пользователя от предложенной нагрузки На рис. 4 представлена зависимость пропускной способности на одного пользователя от предложенной нагрузки. На графике видно, что метод выделения всех СС пользователю позволяет достичь очень весомого улучшения (200 - 300%) этого параметра эффективно-
138
сти при низких и средних нагрузках. Однако выгода от применения этого метода уменьшается с увеличением нагрузки, и при сильных перегрузках исчезает полностью.
Заключение
Б работе рассмотрены два метода балансировки нагрузки на компонентные несущие для систем LTE-Advanced: выделение всех компонентных несущих
пользователю и балансировка методом RR с прикреплением пользователя к одной компонентной несущей. Построена математическая модель трафика для рассмотренных методов. На основе построенной модели проведен сравнительных анализ методов балансировки по двум критериям: пропускная способность системы и средняя скорость передачи данных пользователем.
Литература
1. 3GPP 'Draft LTE Advanced Requirements', REV-080057, 2008.
2. 3GPP TS 36.104 v.9.6.0 'Evolved Universal Terrestrial Radio Access; Base Station radio transmission and reception', 2010.
3. 3GPP TS 36.21 1 v.9.1.0 'Evolved Universal Terrestrial Radio Access; Physical Channels and Modulation", 2010.
4. Pokhariyal A., Kolding T.E., Mogensen P.E., 'Performance of downlink frequency domain pocket scheduling for the UTRAN long term evolution', IEEE PIMRC, cc. 1-5, 2006.
5. Wang Y., Pedersen K.I., Mogensen P.E., Sorensen T.B. 'Carrier Load Balancing Methods with Bursty Traffic for LTE-Advanced Systems', IEEE PIMRC, cc. 22-26, 2009.
6. Chen L., Chen W., Zhang X., Yang D., "Analysis and Simulation for Spectrum Aggregation in ITE-Advanced System', IEEE VTC, cc. 1-6, 2009.
7. Тихвинский B.O., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи 1ТЕ: технологии и архитектура. - М.: Эко-Трендз, 2010. - 284 с.
CARRIER LOAD BALANCING METHODS FOR LTE-ADVANCED SYSTEMS Samouylov K.E., Sopin E.S.
In this paper we propose traffic model for orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) used in LTE and LTE-Advanced systems. On the basis of our model carrier load balancing methods are analyzed and QoS parameters such as cell throughput and average user throughput are investigated.
Keywords: LTE-Advanced, elastic traffic, adaptive multirate system.
139
