CC BY
62
Оценка скорости передачи данных в сетях сотовой связи с динамическим распределением ресурса передачи информации
Построена модель динамического распределения ресурса передачи информации в прямом канале одиночной соты сети стандарта EV-DO. Данная технология относиться к стандартам третьего поколения связи, позволяет обслуживать заявки на передачу данных, допускающих задержку с различными уровнями качества обслуживания. Приведено математическое описание модели динамического распределения ресурса передачи информации. Даны формальные определения основным показателям качества обслуживания заявок. Среди них: среднее время загрузки файла, вероятность отказа в установке соединения и среднее число заявок находящихся на обслуживании. Построен алгоритм оценки введенных показателей и проведен численный расчет. Выполнен анализ полученных результатов вычислений. Для проведения расчетов использовалась скорость передачи информации, усредненная по всей зоне обслуживания. Для этого использовались статистические данные, полученные в результате различных тестирований и полевых испытаний сотовых сетей EV-DO rev. 0. В результате усреднения, средняя скорость по соте составляет примерно 704 кбит/с.
Ключевые слова: динамическое распределение канального ресурса, EV-DO, Processor Sharing, , марковский процесс.
Степанов С.Н.,
д.т.н., профессор МТУСИ каф. АЭС
Директор департамента ИАД ОАО "Интеллект-Телеком",
Sfepanov@i-fc.tu
Пестерев АА,
Старший специалист ИАД, ОАО "Интеллект-Телеком", pesferev@i-fc.ru
Введение
К основным задачам, возникающим при совместном обслуживании информационных потоков в действующих и перспективных мобильных сетях связи, относятся повышение эффективности использования имеющегося ресурса передачи информации, уменьшение доли потерянных заявок [1]. Эти проблемы особенно актуальны для беспроводных сетей из-за ограниченности доступного диапазона радиочастот, выделяемого оператору для образования радиоканалов. Для решения сформулированной проблемы в современных сетях связи используются механизмы распределения канального ресурса между заявками в зависимости от свойств передаваемых сообщений, в частности, от их способности переносить возможные задержки в процессе передачи по сети. Трафик с указанными характеристиками появляется при просмотре веб-страниц, скачивании и пересылке файлов, использовании электронной почты и т.д. Для его транспортировки по сети может быть выделен ресурс, оставшийся свободным от пропуска трафика сервисов реального времени. Свободный ресурс делится поровну или в пропорциях, которые определяются в соответствие с установленным алгоритмом, между всеми имеющимися заявками на передачу данных. Перераспределение ресурса передачи информации происходит дина-
мически в каждый момент изменения числа обслуживаемых заявок, при условии стационарности характеристик канала связи. В статье будут исследованы возможности использования модели с разделением ресурса обслуживания заявок в режиме Processor Sharing для оценки скорости передачи данных в сетях сотовой связи стандарта EV-DO.
1. Динамическое распределение канального
ресурса
В работе под динамическим распределением понимается процесс разделения ресурса передачи информации между пользователями, в зависимости от состояния канала связи и количества заявок, находящихся на обслуживании в данный момент времени [1, 2]. Преследуемая цель - улучшение качества связи и общей производительность системы. Применение данного подхода позволяет более эффективно задействовать имеющийся канальный ресурс, уменьшить время обслуживания и вероятность отказа заявок на передачу данных.
Представленный механизм реализует так называемый “планировщик пакетов” (англ. packet scheduler). Планировщик пакетов представляет собой программноаппаратный блок, который располагается либо на контроллере сети или на базовой станции, отвечающий за распределение общих радиоресурсов между пользователями [3]. Принципы функционирования и алгоритмы работы планировщика пакетов определяются в соответствии с используемой системой управления радиоресурсами Radio Resource Management, RRM [3].
Планировщик пакетов в каждый момент времени определяет, какие пользователи будут принимать и передавать информацию. Для принятия такого решения, планировщику необходимо знать качество каналов связи для каждого пользователя. В общем случае качество канала оценивается как на стороне базовой станции, так и на стороне абонентов, на основе принципа обратной связи [3, 5], как показано на рис. 1.
Таблица I
Соответствие скоростей передачи информации с уровнями качества канала связи
Рис. 1. Схема выделения информации в зависимости
от качества канала связи
2. Описание систем EV-DO
В статье, в качестве примера использования предлагаемой математической модели динамического распределения ресурса будет рассмотрен стандарт связи EV-DO rev. 0. Необходимо отметить, что посгроенную далее модель можно применять для оценки производительности радиоинтерфейсов и других стандартов сотовой и мобильной связи. Предлагаемая модель позволяет моделировать процесс занятия каналов радиоинтерфейса для различных сценариев поступающего трафика. В результате выполнения моделирования будет получена оценка производительности системы EV-DO rev. 0 путем нахождения таких параметров обслуживания заявок, как: среднее время загрузки файлов и вероятность блокировки.
Стандарты сотовой связи EV-DO (rev. 0, А), разработанные группой 3GPP2 можно отнести к системам связи 3G [4, 5]. В основном, технологии EV-DO ориентированы на передачу данных. В соответствии с [4, 5] пиковая скорость передачи данных для EV-DO rev.O составляет 2.4 Мбит/с.
В стандартах EV-DO обеспечивается поддержка адаптивных схем передачи информации, которые подстраиваются под состояние радиоканала, в соответствие с [4, 5]. Адаптация передающей схемы основана на принципе обратной связи. Абонентский терминал, приняв от базовой станции специальный сигнал, передает его обратно на базовую станцию, которая в свою очередь, используя этот полученный сигнал, определяет соответствующий уровень качества канала связи. Для системы EV-DO предусмотрено 12 различных уровней качества канала связи [4, 5]. В работе же ограничимся 9 различными значениями.
В таблице 1 показаны: возможные значения уровней качества канала связи, значения SINR, дБ (Signal to Interference plus Noise Ratio) и соответствующие им скорости передачи информации R кбит/с для прямого канала связи системы EV-DO rev. 0. Также в таблице указаны вероятности использования скоростей передачи информации для обслуживания пользователей, которые были получены на основании статистических данных для конкретного сценария развертывания сети в соответствие с [5].
3. Математическое описание модели
Фактическая скорость передачи информации пользователя определяется в соответствии с общим алгоритмом обслуживания заявок. Предположим, что все абоненты, расположенные в соте находятся в равных условиях (то есть обладают одинаковыми характеристиками качества каналов связи).
Индекс DRC SINR, дБ К, кбит/с Вер. использования |5|
1 -12 38.4 0,01
2 -9,6 76,8 0,04
3 -6.8 153.6 0,18
4 -3.9 307,2 0,24
5 -0,8 614 0.18
6 1,8 921,6 0.125
7 3,7 1228,8 0,125
8 7,5 1843,2 0,05
9 9,7 2457,6 0,05
Тогда средняя скорость передачи R кбит/с делиться поровну между всеми абонентами, которые находятся в данный момент времени на обслуживании. Это дает основания использовать для анализа схемы распределения скоростей модель M/M/1/n - Processor Sharing, далее M/M/1/n - PS.
Пусть: Я — интенсивность входного потока заявок и п -максимальное число заявок, которые одновременно получают информацию, определяемое стандартом EV-DO. Будем считать, что процесс поступления заявок описывается пуассоновским законом, а среднее время обслуживания одной заявки всем имеющимся канальным ресурсом подчиняется экспоненциальному распределению, со средним значением у^ •
В данной статье, заявки на передачу данных в прямом канале связи сети стандарта EV-DO rev. 0 обслуживаются в соответствии с дисциплиной PS. При использовании такой дисциплины скорость передачи информации делиться поровну между всеми заявками, находящимися в системе. В исследуемом случае полагается, что при наличии / заявок, время обслуживания каждой из них будет иметь экспоненциальное распределение со средним значением уп •
Обозначим через /’(/) число заявок, находящихся на обслуживании в момент времени /. Динамика изменения состояний модели задаётся случайным процессом r(t)=i(t). В соответствии с правилами построения модели [6], интервалы времени между осуществлением событий имеют экспоненциальные распределения и не зависят друг or друга, также как и вероятности перехода из состояния в состояние. Следовательно, процесс /•(/)-марковский.
Время пребывания в состоянии / имеет экспоненциальное распределение с параметром Л- ¡Ц- = Л- Ц ■ Далее с вероятностью ^^ совершается
переход в состояние
вероятностью
(/- 1), а с дополнительной в состояние (/-1). Диаграмма
Л + ц
переходов /•(/) показана на рис. 2. Анализ приведённой диаграммы показывает, что она идентична диаграмме переходов М/М/\/п. Отсюда следует, что можно считать стохастически одинаковыми случайные процессы, описывающие число заявок, находящихся в системе в момент времени /, для моделей М/ М/1/п- РБ и М/МШп. В свою очередь этот результат позволяет утверждать, что для обеих моделей совпадают значения
стационарных вероятностей /?(/) пребывания в системе / заявок [6]. Воспользуемся этим свойством для оценки характеристик системы М / М /1/п- Р5.
1
п-1
Ц И Ц И
Рис. 2. Диаграмма переходов процесса /*(/)
Система уравнений равновесия: Р(0)А = Р(\)Ц,
Р(1)(Я + //) = Р(0)Я + Р(2)//,
P(i)(A + ц) = />(/-\)А + />(/ +1)//,
Л«)// = Р(п-\)А.
Значения Р(н) удовлетворяют условию нормировки. После несложных преобразований из системы уравнений равновесия можно получить выражение для расчета вероятностей: P(i- 1) = P(i)a, где
М'
вок, находящихся в системе и среднее время их обслуживания. При дальнейшем же увеличении входного потока заявок, скорость обслуживания стремится к минимальному значению (704/60 кбит/с), число пользователей находящихся на обслуживании стремится к максимальному значению и возрастает вероятность потери заявки.
Стоит отметить, что данная модель реализует метод с предоставлением для всех заявок одинаковой пропускной способности (англ. Throughput Fair). Далее будет исследована модель, реализующая метод Round Robin с предоставлением всем заявкам одинакового времени обслуживания в порядке очереди.
Основные характеристики и расчетные формулы: /?(/) - вероятность пребывания на обслуживании / за-
И
явок, л — р(п) — доля потерянных заявок, £ = £._. /?(/)/ —
с 1
среднее число заявок в системе, 5 =---------- - среднее
/1(1-я)
время пребывания заявки в системе.
Исходные данные и основные предположения для расчета: средний объем передаваемого файла /•" равен 100 кБ, суммарное среднее значение скорости передачи данных в соте составляет 704 кбит/с.
На рис.З показаны зависимости времени загрузки файла, числа заявок находящихся на обслуживании и доли потерянных заявок от интенсивности Из рисунка видно, что при определенных значениях интенсивности входной нагрузки (в данном случае при X = 0,8 заяв/с) происходит резкое увеличение значений характеристик обслуживания и возрастает доля потерянных заявок. Такое поведение характеристик объясняется тем, что при значениях входной нагрузки X < 0,8 заяв/с, находящиеся в системе заявки обслуживаются со скоростью близкой к максимальной, то есть среднее время обслуживания равно примерно 2... 10 с. При увеличении входящей нагрузки (X > 0,8 заяв /с) возрастает число зая-
0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00
Интенсивность поступления заявок, заяв/с
Рис. 3. Зависимость показателей обслуживания заявок
от входной нагрузки
Заключение
Показано использование модели М / М /1/п - PS для оценки характеристик прямого канала связи стандарта EV-DO rev. 0, с учетом схемы динамического распределения ресурса передачи сообщений. Численно исследована зависимость основных показателей обслуживания заявок от величины входной нагрузки. Показано, что при определенных значениях интенсивностей поступающих заявок сота быстро переходит в режим перегрузки, при котором каждая заявка получает минимальную скорость передачи информации.
Литература
1. Степанов С.Н. Основы телетрафика мультисервнсных сетей. - М.: Эко-Трендз, 2010. - 392 с.
2. Степанов С. Н., Пестерев А. А. Модель динамического распределения ресурса передачи данных в сетях сотовой связи стандарта EV-DO // Сборник трудов РНТОРЕС имени А.С. Попова. - 2011. - №66. - С.292-295.
3. Hassel V. Design issues and performance analysis for opportunistic scheduling algorithms in wireless networks. PhD Thesis, Department of Electronics and Telecommunications, Norwegian University of Science and Technology, January 2007.
4. Материалы сайта http://www.3gpp2.org.
5. Материалы сайта http://www.cdg.org.
6. Клейнрок J1. Вычислительные системы с очередями / Пер. с англ., ред. Б.С. Цыбаков. - М.: МИР. 1979. - 586 с.
The estimation of data rale transmission in EV-DO system
Stepanov S.N., Pesterev A.A.
Abstract: The model of dynamic resource allocation for data transmission in downlink EV-DO system was elaborated. The standard of EV-DO is a 3G wireless system, which provides to handle requests for transfer data with ability to suffering a delay and various QoS. The mathematical description of model of dynamic resource allocation for data transmission was given. The formal definitions of the performance measures are given, including the mean time of file download, blocking probability and mean number of simultaneously served requests. The algorithm of evaluation introduced performance measures was constructed and the calculation was carried out. The analysis of numerical results was performed. Statistics information, which got from various tests and field measurements system EV-DO rev.0 was used for this calculations. By averaging, the mean cell's data rate is approximately 704 Kbps.
Keywords: dynamical channel resource allocation, EV-DO, Processor Sharing, , Markovian process.
