Performanca e Mobilitetit të Rrjeteve Celulare 3G UMTS Dhe Rrjeteve WLAN

Domosdoshmëria për të ofruar shërbime komunikimi në çdo kohë, kudo dhe me cilësinë më të mirë të mundshme, ka krijuar nevojën për të vendosur një grup të kërkuar mekanizmash që integrojnë sisteme të ndryshme. Bashkëpunimi ndërmjet WLAN dhe UMTS realizon ëndrrën për të arritur në çdo kohë akses në Internet. Qëllimi i këtij dokumenti është të bëjë një rishikim të analizës krahasuese të mekanizmit të handoverit në 3G UMTS, WLAN 802.11g dhe arkitekturë hibride të integruar UMTS-WLAN në lidhje me parametrat QoS (Kualitetit të Shërbimeve): vonesa, jitteri, thruputi dhe humbjes së paketës. Për të arritur qëllimin tonë dhe për të përcaktuar sasinë e përfitimeve të ofruara nga bashkëveprimi i sistemit WLAN dhe UMTS, u përdor simulatori QualNet. Rezultatet e simulimit duhet të jenë të dobishme duke marrë parasysh se arkitekturat e ardhshme të unifikuara mund të sigurojnë performancën më të mirë të handoverit vertikal midis sistemit të bashkëveprimit UMTS dhe WLAN nën skemat e integruara.

 Historiku dhe zhvillimi i sistemeve UMTS dhe WLAN 
Rrjetet e shumfishta te qasjes pa tela kombinohen së bashku për të formuar një sistem komunikimi pa tel. Ata kanë një qëllim për të siguruar qasje të vazhdueshme në teknologjitë pa tel për terminalet celularë. Këto teknologji janë rrjete celulare (2G, 3G, 4G) dhe WLAN (Wireless Local Area Networks). Mobiliteti i terminalit është një nga aspektet kryesore të mobilitetit, i cili ka për qëllim të sigurojë komunikim pa tela kudo, në çdo kohë, midis rrjeteve të ndryshme heterogjene ndërsa një terminal lëviz brenda këtyre rrjeteve. Handover është një proces për të siguruar lidhjen e stacionit celular aktiv, ndërsa përdoruesi lëviz nga një rrjet në tjetrinPastrav, A.E.I., Grapa, A.I., Palade, T. and Puschita, E., 2013, Tetor. Analizë e performancës së mobilitetit të rrjeteve celulare 3G UMTS dhe rrjeteve WLAN. Në Electrical and Electronics Engineering (ISEEE), 2013 4th International Symposium on (pp. 1-6). IEEE. Ekzistojnë dy procese të ndryshme të handoverit. Kur përdoruesi celular duhet të lëvizë nga një rrjet në tjetrin, i cili është në shtresën e ndryshme të linkut, ajo i referohet handoverit vertikal (p.sh., lëvizjes nga UMTS në WLAN ose anasjelltas). Nga ana tjetër, nëse përdoruesi mobil lëviz në mes të rrjeteve të cilat janë në të njëjtën shtresë të linkut quhet si handover horizontal. Për shembull, lëvizja nga një rrjet UMTS në një rrjet tjetër UMTSGhormade, P.B., and Shah, J.J., 2015, March.Qasja për të kryer handoverin horizontal dhe vertikal në një rrjet pa tel. Në Computer Engineering and Applications (ICACEA), 2015 International Conference on Advances in (pp. 812-815). IEEE.. Në këtë punim, WLAN dhe UMTS janë konsideruar për analiza të mëtutjeshme. Sistemi i gjeneratës së tretë (3G) i njohur si Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) paraqet norma shumë të ndryshueshme të të dhënave në interfejsin ajror për të mbështetur një spektër të gjerë si të të dhënave ashtu edhe të shërbimeve zanore me mobilitet të lartë. Arkitektura e rrjetit UMTS mund të ndahet në tre elementë kryesorë, pajisja e përdoruesit (UE), UMTS radio rrejti i qasjes (UTRAN) dhe UMTS rrjeti bërthamë.UE njihet si një stacion mobil i cili formon interfejsin përfundimtar me përdoruesin. UTRAN formohet nga stacioni bazë (Nyja B) dhe Kontrolluesi i Rrjetit të Radios (RNC). RNC kontrollon Nyjet B që janë të lidhura me të dhe është përgjegjës për menaxhimin e burimeve radio dhe disa nga funksionet e mobilitetit. Nyja mbështetëse e shërbimit GPRS (SGSN), nyja mbështetëse e gejtwejit GPRS  (GGSN) dhe regjistri i vendndodhjes së shtëpisë (HLR) janë njësitë kryesore të rrjetit për pjesën e ndërruar të paketës në rrjetin kryesor 3G UMTS. SGSN ofron një numër funksionesh duke përfshirë menaxhimin e lëvizshmërisë, ndërveprimin me zonë tjetër të rrjetit dhe faturimin, ndërsa GGSN merret me ndërveprimin midis rrjetit UMTS dhe rrjeteve të jashtme. Në UMTS të gjithë përdoruesit në të njëjtën celule ndajnë të njëjtin spektër frekuence njëkohësisht. Kjo mundëson funksione të reja të tilla si handoveri i butë. Në këtë letër, fokusi është në këtë lloj hanodveri. Handoveri i butë bëhet nëse UE lëviz nga një qelizë në një Nyje B në një Nyje tjetër B dhe të dy Nyjet B menaxhohen nga e njëjta RNC. UE ndërsa është në lëvizje, merr sinjalin nga dy Nyje të ndryshme B. RNC merr informacion në lidhje me fuqinë e sinjalit të marrë nga përdoruesi dhe një vendim i handoverit mund të merret bazuar në parashikimet dhe kërkesat e algoritmit të aplikacionitLay, A., 2003. Menaxhimi i mobbilitetit në UMTS. Data Communication & Distributed System Seminar, RWTH Aachen University, Aachen, Germany..

Nga ana tjetër, sistemet e Wireless LAN (WLAN) mbi IEEE 802.11 sigurojnë komunikim të pandërprerë te një përdoruesi me shpejtësi më të lartë të të dhënave. Shumë standarde janë zhvilluar nën projektin WLAN, por standardi i specifikuar i përdorur në simulimet tona është IEEE 802.11g i cili përdor brezin ISM pa leje 2.4GHz. Ky standard është në gjendje të sigurojë shpejtësi të të dhënave deri në 54 Mbps. WLAN punon në dy mënyra: me infrastrukturë të rregulluar dhe ad-hoc. Në modin e infrastrukturës, e cila është subjekt i simulimit në këtë letër, të gjithë stacionet e palëvizshme dhe të lëvizshme mund të komunikojnë vetëm me një pikë hyrjeje (AP) në një periudhë të caktuar kohe. Bazuar në specifikimet standarde IEEE 802.11, lidhja nga një stacion mobil në një AP mund të bëhet pasi të keni përfunduar skanimin i cili mund të jetë aktiv ose pasiv. Skanimi pasiv do të thotë që stacioni të mbetet në një kanal derisa të marrë kornizën e menaxhimit ndërsa AP transmeton vazhdimisht këtë lloj kornize. Në skanimin aktiv, stacioni transmeton një kornizë informacioni për kërkesën dhe pret derisa të marrë një përgjigje nga APIEEE 802.11 Working Group, 2010. IEEE standard for information technology– Telecommunications and information exchange between systems–Local and metropolitan area networks–Specific requirements–Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 6: Wireless Access in Vehicular Environments. IEEE Std, 802(11).. Karakteristikat plotësuese të rrjeteve 3G (mobilitet i lartë, bandwidth me i  vogël) dhe WLAN (bandwidth me i lartë dhe mobilitet me i vogël) e bëjnë tërheqëse integrimin e dy teknologjive për të siguruar arkitektura hibride, në mënyrë që të mbulojë kërkesën për aplikim të intensitetit me të lartë të të dhënave Tang, S. and Li, W., 2005, December.Analiza e performancës së rrjetit 3G me rrjetet komplementare WLAN. Në Global Telecommunications Conference, 2005. GLOBECOM'05. IEEE (Vol. 5, pp. 5-pp). IEEE.. Ekzistojnë shumë arkitektura të mundshme ndërvepruese midis rrjeteve UMTS dhe WLAN. Ky punim do të përqendrohet në arkitekturën e bashkuar të ngushtë midis rrjetit UMTS dhe WLAN. Kjo do të thotë që WLAN është e lidhur drejtpërdrejt me përbërësin GGSN të rrjetit UMTS. Në këtë model arkitekture, trafiku WLAN kalon përmes rrjetit kryesor UMTS, që do të thotë se WLAN shfaqet si një rrjet tjetër i hyrjes në rrjetin kryesor UTMSETSI, Broadband Radio Access Networks (BRAN); HIPERLAN Type 2; “Requirements and Architectures for Interworking between HIPERLAN/2 and 3rd Generation Cellular Systems”, Tech. rep. ETSI TR 101 957, Gusht. 2001.. Ky studim merr në konsideratë një analizë krahasuese të procesit të handoverit horizontal dhe vertikal bazuar në performancën e parametrave të ndryshëm QoS.

 QualNet dhe parametrat specifik UMTS dhe WLAN 
Për të arritur qëllimin tonë dhe për të përcaktuar sasinë e përfitimeve të ofruara nga bashkëveprimi i sistemit WLAN dhe UMTS, u përdor imituesi QualNet. Ky program simulimi u përdor për të zbatuar dhe testuar katër skenarë të ndryshëm, dy prej tyre përqendrohen në studimin e handoverit horizontal në UMTS dhe WLAN dhe dy të tjerë përqendrohen në zbatimin e arkitekturës hibride (të lidhur ngushtë) UMTS-WLAN. Simuluesi QualNet 6.1 është një imitues i nivelit më të lartë për rrjetet heterogjene dhe është një motor simulimi jashtëzakonisht i shkallëzuar për modelimin dhe simulimin e projekteve të rrjetit me porosi. Përdoruesit mund të vlerësojnë sjelljen themelore të një rrjeti dhe të provojnë kombinimet e veçorive të rrjetit që ka të ngjarë të funksionojnë. Ai siguron biblioteka për WLAN dhe UMTS dhe eksperimentet e tanishme janë kryer duke përdorur ato bibliotekaUdhëzuesi i Përdoruesit QualNET 6.1, "Teknologjitë e rrjetit të shkallëzuar", Inc., Shtator 2012.. Në tabelën I, paraqiten parametrat e përgjithshëm të konfigurimit të skenarëve të integruar .

parapamje|348x348px|Tabela 1: Parametrat gjeneral për skenarët
alt=|majtas|parapamje|327x327px|Tabela 2: Parametrat specifik UMTS në shtresat fizike dhe MAC
majtas|parapamje|327x327px|Tabela 3: Parametrat specifik WLAN në shtresat fizike dhe MAC

Parametrat specifikë të konfiguruar sipas IEEE802.11 a/g Modeli PHY fizik dhe standardet e lëshimit të specifikimit teknik 3GPP UMTS 7 janë paraqitur në Tabelat II dhe III.

Këto parametra importohen nga Biblioteka e Modelit UMTS dhe Biblioteka e Modelit Wireless. Në secilin skenar, distanca midis Nyjeve B, dhe distanca midis pikës së hyrjes dhe Nyjes B është vendosur në 1000 metra. Në modelin e mobilitetit, shpejtësitë e stacionit të lëvizshëm janë vendosur në 5 m/s, 10 m/s, ose 25 m/s duke përdorur 50 metra hapësirë midis dy flamujve të mobilitetit ngjitur me kohë specifike të simulimit në mënyrë që të përhapet në një distancë prej 1700 metrash. majtas|parapamje|386x386px|Fig.1 – Skenari për handoverin në UMTSparapamje|388x388px|Fig. 2 – Skenari për handoverin në WLAN

Skenari i parë që është skenari për handoverin e butë të UMTS ka elementet kryesore arkitektonike: dy Nyje B, një stacion mobil dhe dy stacione të palëvizshme, RNC, SGSN, GGSN dhe HLR që ilustrohen në Fig. 1.

Skenari i dytë, i cili përfaqëson handoverin në WLAN ka keto elemente arkitektonike: struktura e backbonit, dy nyje të qasjes AP, një stacion i lëvizshëm dhe një STA i palëvizshëm që ilustrohen në Fig. 2.

parapamje|387x387px|Fig.3 – Skenari për handoverin nga UMTS në WLAN|majtas
parapamje|390x390px|Fig.4 – Skenari për handoverin nga WLAN në UMTS

Skenari për kalimin nga UMTS në WLAN tregohet në Fig. 3 dhe përfshin elementet themelore arkitektonike: një Nyje B, një stacion mobil dhe dy stacione të palëvizshme, RNC, SGSN, GGSN dhe HLR, një nyje të qasjes AP të lidhur me GGSN.

Skenari për kalimin nga WLAN në UMTS përfshin elementet themelore arkitektonike: një Nyje B, një stacion mobil dhe dy stacione të palëvizshme, RNC, SGSN, GGSN dhe HLR, një nyje të qasjes AP lidhur me GGSN. është paraqitur në Fig. 4.

 Analizat 
Lloji specifik i aplikacionit i përdorur nga  është konstant bit-rate (CBR) dhe një aplikacion i bazuar në UDPprotokollin server-klient. Në secilin prej skenarëve, roli i klientit u caktua në stacionin celular dhe roli i serverit u caktua në një stacion të palëvizshëm. Aplikimet e Shërbimit të Paketave në rrjetet UMTS mund të simulohen nga modelet e gjeneratorit të trafikut QualNet. Në katër modelet e skenarëve, video konferenca ose aplikacioni VoIP ekzekutohet si aplikacioni i parë. Performanca e mobilitetit të rrjetit të integruar UMTS dhe WLAN është analizuar nga parametrat QoS. Në këtë letër, vonesa, jitteri, thruputi dhe humbja e paketës përdoren si parametra QoS. Kriteret nga analiza janë zgjedhur të jenë në përputhje me shpejtësinë dhe llojin e handoverit. Nga punimi  kemi marrë rezultatet eksperimentale të paraqitura më poshtë.
parapamje|307x307px|Fig.5 – Vonesa

 A. Ndryshimi i vonesës në secilin nga katër skenarët, sipas llojit të handoverit, për secilën prej vlerave të shpejtësisë së nyjes së lëvizshme. 
Në Fig. 5 ilustrohet vonesa nga fundi në fund kundrejt shpejtësive të ndryshme të stacionit celular për të katër skenarët. Nga pikëpamja e ndryshimit të shpejtësisë, nga figura mund të vërejmë uljen e vonesës nga fundi në fund kundrejt rritjes së shpejtësive të stacionit celular. Në prespektivën e performancës më të mirë të QoS, handoveri horizontal në rrjetin WLAN ka vlerën mesatare më të ulët të vonesës, ndërsa vlerat e vonesës në handoverin e butë në UMTS kanë vlerën më të madhe nga të gjithë. Për një aplikim të tipit zë të një stacioni celular në teknologjinë 3G që lëviz në një zonë të nxehtë, duket se procesi i handoverit drejt një pike aksesi nuk do të sjellë një vonesë shtesë, dhe kjo do të thotë që WLAN dhe UMTS janë të lidhur drejtpërdrejt përmes infrastrukturës së ngushtë të bashkuar të integruar.
majtas|parapamje|328x328px|Fig.6 – Jitteri

 B. Variacioni i jitterit në secilin nga katër skenarët, sipas llojit të handoverit, për secilën prej vlerave të shpejtësisë së nyjes mobile. 
Në Fig. 6 ilustrohet variacioni i jitterit sipas shpejtësive të ndryshme të stacionit celular për të katër skenarët. Sipas prespektives së performancës më të mirë të QoS, vlerat më të ulëta për jitterin vërehen në handoverin brenda rrjetit WLAN, ndërsa vlerat më të larta për jitterin shihen në handoverin në arkitekturën hibride WLAN-UMTS. Këto vlera të larta rrjedhin nga ndryshimi në vlerat për vonesat për aplikimin e tipit zë në handoverin horizontal (vonesa në UMTS kundrejt vonesës në WLAN) të cilat janë mjaft të larta.

 C. Ndryshimi i throughputit në secilin nga katër skenarët, sipas llojit të handoverit, për secilën prej vlerave të shpejtësisë së nyjes së mobile. 
parapamje|306x306px|Fig.7 – Thruputi
Ndryshimi i thruputit në përputhje me shpejtësinë e stacionit mobil për katër skenarët janë ilustruar në Fig. 7 pas ekzekutimit të simulimeve. Nga këndvështrimi më i mirë i performancës QoS, vlera më e lartë e thruputit arrihet në handoverin e WLAN. Kjo vlerë e lartë në rrjetin WLAN është e pritshme, duke marrë parasysh që vonesa mesatare dhe jitteri është i rendit të milisekondave. Nga ana tjetër, për pjesën tjetër të arkitekturave, vlerat e thruputit përqendrohen rreth 102 kbps. Për secilën nga katër arkitekturat e propozuara, thruputit nuk i ndryshon shpejtësia.

 D.Variacioni i shkallës së humbjes së paketës në secilin nga katër skenarët, sipas llojit të handoverit, për secilën prej vlerave të shpejtësisë së nyjes mobile. 
majtas|parapamje|333x333px|Fig. 8 – Humbja e paketës
Në Fig. 8 ilustrohet ndryshimi i humbjes së paketës sipas shpejtësive të ndryshme të stacionit celular për të katër skenarët. Përqindja e humbjes së shkallës së paketës ka vlerën më të lartë në arkitekturën hibride WLAN-UMTS. Nga këndvështrimi i ndryshimit të shpejtësisë, duket se ka një përqindje më të vogël të paketave të humbura ndërsa shpejtësia rritet. Vlera më e vogël e humbjes së paketës është në shpërndarjen e WLAN.

 Aplikimi i dytë që ekzekutohet në katër skenarët modelon klasën e trafikut streaming, p.sh. kur përdoruesi shikon një aplikacion video në kohë reale 

 E. Ndryshimi i vonesës në secilin nga katër skenarët, sipas llojit të handoverit, për secilën prej vlerave të shpejtësisë së nyjes mobile. 
parapamje|312x312px|Fig.9 – Vonesa
Në Fig. 9 ilustrohet vonesa nga fundi në fund kundrejt shpejtësive të ndryshme të stacionit celular për të katër skenarët. Nga pikëpamja e ndryshimit të shpejtësisë, nga figura mund të vërejmë rritjen e vonesës nga fundi në fund kundrejt rritjes së shpejtësive të stacionit celular. Kjo mund të lidhet me uljen e nivelit të suksesshëm të paketave të marra kundrejt shpejtësisë, gjë që mund të vërehet në Fig. 12. Në këndvështrimin e performancës më të mirë të QoS, shpërndarja në rrjetin WLAN ka vlerën mesatare më të ulët të vonesës, ndërsa vlerat e vonesës në arkitekturën hibride UMTS-WLAN kanë vlerën më të madhe nga të gjitha. Për një aplikacion streaming në teknologjitë 3G që fillojnë në një zonë të nxehtë, handoveri drejt teknologjisë UMTS paraqet një vonesë shtesë, më të vogël se në rastin e handoverit të UMTS sepse siç tregon grafiku, vonesa në handovern e teknologjisë WLAN është dukshëm më e vogël.
majtas|parapamje|336x336px|Fig.10 – Jitteri

 F. Variacioni i jitterit në secilin nga katër skenarët, sipas llojit të handoverit, për secilën prej vlerave të shpejtësisë së nyjes mobile. 
Në Fig. 10 ilustrohet ndryshimi i jitterit sipas shpejtësive të ndryshme të stacionit celular për të katër skenarët. Vlerat më të larta për jitterin vërehen në handoverin në arkitekturën hibride WLAN-UMTS sepse konsiderojmë se ndryshimi në vlera për vonesat për aplikimin e transmetimit në handoverin horizontal (vonesa në UMTS kundrejt vonesës në WLAN) është mjaft i lartë, dhe kjo do të thotë se jitteri ka vlerat më të larta në arkitekturat hibride. Nga pikëpamja e ndryshimit të shpejtësisë, nga figura mund të vërejmë rritjen e jitterit me rritjen e shpejtësisë së stacionit mobil.
parapamje|312x312px|Fig.11 – Thruputi

 G. Variacioni i thruputit në secilin nga katër skenarët, sipas llojit të handoverit, për secilën prej vlerave të shpejtësisë së nyjes së lëvizshme. 
Ndryshimi i thruputit në përputhje me shpejtësinë e stacionit të lëvizshëm për katër skenarët është ilustruar në Fig. 11.Nga këndvështrimi më i mirë i performancës së QoS, vlera më e lartë e thruputit arrihet në arkitekturën hibride për handoverin e UMTS-WLAN si dhe në handoverin e butë të UMTS. Nga këndvështrimi i ndryshimit të shpejtësisë, për shkak të vonesës së futur, ka ndryshime në thruputin për arkitekturën WLAN-UMTS.
majtas|parapamje|344x344px|Fig.12 – Humbja e paketës

 H. Variacioni i shkallës së humbjes së paketës në secilin nga katër skenarët, sipas llojit të handoverit, për secilën prej vlerave të shpejtësisë së nyjes mobile. 
Në Fig. 12 ilustrohet ndryshimi i humbjes së paketës sipas shpejtësive të ndryshme të stacionit celular për të katër skenarët. Nga figura vërehet rritje e humbjes së paketës përkundrejt rritjes së shpejtësive të stacionit celular. Në prespektivën e performancës më të mirë të QoS, përqindja e humbjes së paketës ka vlerat më të larta në arkitekturën hibride WLAN-UMTS për shkak të vlerave të dhëna për vonesën dhe jitterin.

 Konkluzione 
Në këtë punim, analiza e performancës së mobilitetit të rrjetit të integruar UMTS dhe WLAN mbi dy modele të ndryshme të aplikacioneve është studiuar duke përdorur shërbimin e klasës CBR. Në katër skenarët e parë është përdorur një aplikacion i tipit zë dhe në katër skenarët e dytë është përdorur një aplikacion streaming. Në rezultatet e simulimit të aplikimit të tipit zë, mund të konkludohet se performanca e përgjithshme e QoS, përveç thruputit, është në rënie të vazhdueshme për shkak të rritjes së shpejtësive të stacionit celular. Për një aplikacion streaming, secili prej katër skenarëve ka arritur rezultate të ndryshme për këndvështrimin e llojit të teknologjisë. Në rastin e vonesës, vlerat e tij rriten ndërsa shpejtësia rritet për të gjitha llojet e handoverëve, përveç handoverit të WLAN. Në rastin e jitterit, vlerat e tij rriten ndërsa shpejtësia rritet për handoverin e WLAN-UMTS dhe UMTS-WLAN, vlerat e jitterit zvogëlohen ndërsa shpejtësia rritet për handoverin e WLAN dhe  ka vlerë konstante për handoverin e UMTS. Në rastin e thruputit, vlerat e tij rriten ndërsa shpejtësia rritet për të gjitha llojet e handoverëve, përveç handoverit të WLAN-UMTS në të cilat vlerat e tij zvogëlohen. Në rastin e humbjes së paketës, vlera e saj rritet ndërsa shpejtësia rritet për arkitekturat hibride të integruara WLAN-UMTS dhe ka vlerë konstante për handoverin e UMTS dhe handoverin e WLAN.

Sidoqoftë, performancat e përgjithshme për këtë aplikacion priren të ulen sapo të rritet shpejtësia. Prandaj, studimet e ardhshme duhet të bëhen në mënyrë që të dihet nëse arkitekturat e unifikuara mund të ofrojnë performancën më të mirë të shpërndarjes vertikale midis sistemit ndërveprues UMTS dhe WLAN në skemat e integruara.

 Referime