CC BY
262
МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕТИ LTE/SAE В СИМУЛЯТОРЕ NS2
© Кокорева Е.В.*, Моренкова О.И.Ф, Белезекова А.С.*
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск
В статье приведена общая архитектура сетей мобильной связи четвёртого поколения на основе технологии LTE/SAE, а также характеристики передачи данных. В разделе 3 рассматриваются правила построения моделей в формате сетевого симулятора NS2, а в разделе 4 концептуальная и программная модели для оценки качества обслуживания интегрированного трафика в сети 4G. В результате получены вероятностно-временные характеристики моделируемой системы.
Ключевые слова: системы мобильной связи, LTE/SAE, симулятор NS2, вероятностно-временные характеристики, E-UTRAN, QoS.
1. Введение
Рост спроса на услуги систем мобильной связи и мобильного широкополосного доступа сделал актуальной задачу оценки параметров качества обслуживания в сетях мобильной связи четвёртого поколения.
В настоящее время практически не имеется универсальных и адекватных математических моделей, описывающих процессы передачи данных в сетях с коммутацией пакетов, трафики различных информационных сервисов, параметры качества этих сервисов. Выходом из сложившейся ситуации является использование имитационного моделирования.
В работе рассматривается применение сетевого симулятора NS2, представляющего собой программное обеспечение с открытым кодом (англ. Open Source Code) для симуляции систем мобильной связи четвёртого поколения на основе технологии LTE (англ. Long Term Evolution).
2. Краткое описание LTE сети
LTE базируется на трех основных технологиях: множественный доступ с ортогональным разделением частот OFDMA (англ. Orthogonal Frequency-Division Multiple Access), многоантенные системы MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output) и эволюционная системная архитектура сети SAE (англ. System Architecture Evolution). Дуплексное разделение каналов может быть, как частотным FDD (англ. Frequency-Division Duplexing), так и
* Доцент кафедры Систем мобильной связи, кандидат технических наук, доцент.
* Доцент кафедры Систем мобильной связи, кандидат технических наук. " Старший преподаватель кафедры Систем мобильной связи.
временным TDD (англ. Time-Division Duplexing), что позволяет операторам очень гибко использовать частотный ресурс [1-4].
Для технологии LTE консорциум 3GPP (англ. 3rd Generation Partnership Project) предложил новую сетевую инфраструктуру SAE (рис. 1) - эволюционную пакетную систему EPS (англ. Evolved Packet System), которая включает в себя сеть радиодоступа E-UTRAN (англ. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и базовую пакетную сеть EPC (англ. Evolved Packet Core).
Сеть E-UTRAN (англ. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) состоит из узлов eNodeB (eNB), представляющих собой базовые станции - аналоги NodeB в сети UMTS или BTS (англ. Base Transceiver Station) в сети GSM/GPRS, которые обеспечивают передачу данных и сигнальной информации. На стороне абонента радиоинтерфейс реализован в виде устройства пользователя UE (англ. User Equipment) - аналога MS (англ. Mobile Station) в GSM/GPRS.
Компонентами EPC являются: - Узел Управления Мобильностью MME (англ. Mobility Management Entity) - это основной управляющий модуль в сети доступа LTE, который отвечает за процедуры обеспечения мобильности, хэндо-вера, слежения, пейджинга UE и аутентификацию пользователя.
2.1. Обзор архитектуры LTE
Рис. 1. LTE/SAE в общей архитектуре сети четвёртого поколения
- Обслуживающий шлюз S-GW (англ. Serving Gateway) предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из / в подсистему базовых станций. S-GW играет роль узла привязки 3GPP-сетей (UTRAN, GERAN) к сети LTE.
- Пакетный шлюз P-GW (англ. Packet Data Network Gateway) обеспечивает соединение UE с внешними пакетными сетями данных и выполняет функции защиты и фильтрации пакетов, поддержку биллин-га, а также является узлом привязки œ-3GPP сетей (WiMAX, CDMA 1X и Ev-DO) к сети LTE.
В состав LTE/SAE входят также:
- Биллинговая система PCRF (англ. Policy and Charging Rules Function) представляет собой ряд устройств, которые отслеживают качество предоставляемых услуг, и обеспечивают тарифную политику.
- Сервер домашней подписки HSS (англ. Home Subscription Server) -это база данных, которая служит для хранения профилей абонентов домашней сети и предоставляет узлу MME данные для аутентификации, шифрования и обеспечения приватности абонента.
2.2. Качество обслуживания в сети LTE
Концепция предоставления услуг предполагает наличие четырёх классов качества обслуживания, называемых также трафиковыми классами [1]:
- реального времени (речь, VoIP, видеоконференция);
- потоковый (потоковое видео, аудио);
- интерактивный (WEB-сёрфинг);
- фоновый (FTP, электронная почта, запросы к базе данных, текстовые файлы, показания сенсорных датчиков и пр.).
Главным различием между названными классами является чувствительность к задержкам: наиболее чувствительным является трафик реального времени, наименее чувствительным - фоновый трафик.
2.3. Распределение канальных ресурсов в сети LTE
Для распределения ресурсов в сети LTE может быть использовано несколько алгоритмов:
- Round Robin Scheduler - циклический планировщик, выделяющий ресурсы всем UE по очереди независимо от качества радиоканала;
- Maximum Throughput Scheduler - планировщик с максимальной пропускной способностью, выделяет ресурсы тем UE, которые могут достичь максимальной скорости передачи данных;
- Proportional Fair Scheduler - пропорциональный справедливый планировщик, выделяет больше ресурсов UE с лучшим показателем SNR, при этом обеспечивая достаточное количество ресурсных блоков для UE c более плохим показателем;
- Blind Average Throughput Scheduler - планировщик «слепой» средней пропускной способности, призван обеспечить одинаковую пропускную способность для всех UE.
З. Применение симулятора NS2 для оценки параметров качества LTE сети
Существует множество коммерческих программных продуктов, предназначенных для имитационного моделирования сетей связи. Их конкурентом является система NS2, бесплатно распространяемая в открытых кодах на условиях лицензии GPL (GNUPublic License) [5-7].
Имитационная модель сети в NS2 представляет собой совокупность: сетевых объектов (англ. Network Objects); событий (англ. Events) и планировщика (англ. Scheduler). Планировщик извлекает события, которые представляют собой пакеты или at-события, определённые пользователем, из календаря событий согласно времени их наступления и передаёт обработчику событий соответствующего сетевого объекта: узла, звена, агента или приложения.
Для моделирования сети мобильной связи с технологией LTE в NS2 имеется специальный модуль, который предоставляет разработчику компоненты радиоподсистемы e-UTRAN [8-9].
3.1. Понятие мобильного узла
Структурной единицей модели системы мобильной связи является мобильный узел (англ. Mobile Node), который обладает свойствами, отличающими его от узла проводной сети, такими как: направление и скорость движения; обновление местоположения; возможность передавать и принимать сигнал по беспроводному каналу и пр. Мобильный узел NS2 является аналогом UE физической сети. Структурная схема мобильного узла представлена на рис. 2.
При создании мобильного узла необходимо определить сетевые компоненты, механизм маршрутизации, и топографию для обеспечения движения узла.
В NS2 определены такие сетевые компоненты как: канал (англ. Channel); сетевой интерфейс NIf (англ. Network Interface); модель распространения радиоволн RPM (англ. Radio Propagation Model); антенна (англ. Antenna); MAC протокол (англ. MAC Protocol); механизм обслуживания очереди QIf (англ. Queue Interface); управление логическим каналом LLC (англ. Logical Link Control) и протокол определения адреса ARP (англ. Address Resolution Protocol).
Конфигурирование мобильного узла на основе сетевых компонентов производится с помощью следующего программного кода:
set val(chan) Channel/WirelessChannel;
set val(prop) Propagation/Shadowing;
set val(netif) Phy/WirelessPhy;
set val(mac) Mac/TDMA;
set val(ifq) Queue/LTEQueue;
set val(ant) Antenna/MIMO
Рис. 2. Структурная схема мобильного узла
Аналогично задаются механизм маршрутизации и топография сети.
3.2. Конфигурирование базовой станции в NS2
Структурная схема базовой станции представлена на рис. 3.
Конфигурирование базовой станции BaseStationNode осуществляется подобно конфигурированию мобильного узла. Необходимо установить иерархическую адресацию (hierarchical addressing), параметр Mobi-leIP on, а также некоторые другие параметры конфигурации узлов, чтобы базовая станция обеспечивала беспроводное (интерфейс Uu) соединение с UE и проводное (интерфейс S1) соединение с EPC.
Вход
Иерархический классификатор адреса
О
< "U
0
со е
1
<
"U о
са е
I
<
-О о
са е
I
QJ г>
п 5 о
рф
т и а к
а т
о "D
Агент Источник/ Приёмник
Агент Л аршрутизатор
LLC-подуровень
Механизм обслуживания очереди
т
Модель распространения радиоволн
МАС-подуровень
г
Сетевой интерфейс
и
ARP
Сетевой интерфейс
Рис. 3. Структурная схема узла базовой станции в NS2 4. Модель системы LTE/SAE в NS2 4.1. Структурная схема модели
Структурная схема модели представлена на рис. 4. Основными компонентами модели являются:
- Сервер, предоставляющий услуги передачи FTP, HTTP, мультимедиа трафика вместе со служебной информацией;
- Ядро системы EPC (MME, S-GW, P-GW);
- E-UTRAN, включая несколько базовых станций eNB;
- Сетевые интерфейсы с заданными пропускными способностями;
- Несколько мобильных абонентов UE.
Овалами на рис. 4 представлены агенты, реализующие в NS2 протоколы транспортного уровня (TCP, UDP, RTP/RTCP и пр.). На стороне мобильного абонента агентам-источникам данных сервера должны соответствовать агенты-приёмники.
Прямоугольники обозначают приложения, которые в NS2 реализуют различные типы трафика (FTP, HTTP, CBR, Session и пр.).
Рис. 4. Структурная схема модели LTE/SAE системы
4.2. Моделирование трафика в NS2
В NS2 трафик реального времени генерируется агентами RTP и RTCP с помощью приложений AMR (англ. Adaptive Multi-Rate), RTP, RealAudio и др. Потоковый трафик можно создать, используя агент UDP, который генерирует приложение CBR (англ. Constant Bit Rate) с определёнными параметрами. Для формирования интерактивного и фонового трафика служат агенты TCP и приложения Traffic/Exponential (Traffic/Pareto, Traffic/Uniform) и FTP (англ. File Transfer Protocol) соответственно. Параметры трафика заданы согласно свойствам генерирующих его приложений.
Пример создания TCP-агента и подключения его к узлу (серверу):
set tcp [new Agent/TCP]
$ns attach-agent $server $tcp
Пример создания агента-приёмника и подключения его к узлу ue1:
set sink [new Agent/TCPSink]
$ns attach-agent $ue1 $sink
Пример создания FTP-приложения, подключения его к агенту TCP:
set ftp [new Application/FTP]
$ftp attach-agent $tcp
4.3. Результаты симуляции 4G в NS2
С помощью разработанной модели были собраны статистические данные для оценки таких параметров QoS (англ. Quality of Service) как пропускная способность системы, задержка, вероятность потерь и BER (англ. Bit Error Rate). Обработка статистики производилась при помощи пакетов инженерных расчётов Matead, Matlab и MS Excel.
На рис. 5 приведена зависимость пропускной способности ячейки от числа активных абонентов при использовании различных алгоритмов распределения канальных ресурсов.
ЗОг-
О
я <и> ко
я
&
сэ О К
ко о
g 40
С о
S
и
5
6
с. 20
0
Рис. 5. Зависимость пропускной способности соты от числа UE
Из рис. 5 можно сделать вывод, что наилучшие результаты даёт применение алгоритма планирования ресурсов Max Throughput, что вполне соответствует логике, наихудшим планировщиком является алгоритм Round Robin.
Заключение
В статье рассмотрены вопросы имитационного моделирования передачи данных и сигнальной информации в сети четвёртого поколения LTE/SAE. Авторами была построена концептуальная модель телекоммуникационной системы c технологией LTE и на её основе разработана программная модель. В ходе симуляции были собраны необходимые статистические данные, обработка которых дала ряд показателей качества обслуживания данных в мобильной сети четвёртого поколения.
Список литературы:
1. Holma H., Toskala A. LTE for UMTS: Evolution to LTE-Advanced: Second edition. - Chichester, West Sussex, United Kingdom: Wiley, 2011. - 576 c.
/ X у
/
Мл ■ Round Robin * Proportional Fair • Max Throughput k Blind Average
20 40 60 so
Количество UE
2. Вишневский В., Красилов А., Шахнович И. Технология сотовой связи LTE - почти 4G - М.: Электроника: НТБ, 2009. - № 1. - С. 62-72.
3. Гельгор А.Л., Попов Е.А. Технология LTE мобильной передачи данных: учеб. пособие. - СПб.: Изд. Политехн. ун-та, 2011. - 204 с.
4. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. - М.: Эко-Трендз, 2010. - 284 с.
5. Шелухин О.И. Моделирование информационных систем. - М.: Горячая линия - Телеком, 2011. - 536 с.
6. Issariyakul T., Hossain E. Introduction to Network Simulator NS2. -Springer, 2008. - 400 p.
7. Fall K., Varadhan K., Eds., The ns Manual, The VINT Project, UC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC, Nov. 2011. - 430 p.
8. Qin-long Qiu, Jian Chen, Ling-di Ping, Qi-fei Zhang, Xue-zeng Pan LTE/SAE Model and its Implementation in NS 2. - MSN, Fifth International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Networks, 2009. - pp. 299-303.
9. Модуль LTE для NS2 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://opensbc.blogspot.ru/2013/11/install-lte-ns2-simulator.html.
