Рекуррентный алгоритм для расчета характеристик модели приоритетного управления доступом в сети LTE

Рекуррентный алгоритм для расчета характеристик модели приоритетного управления доступом в сети LTE

Одной из основньх особенностей сетей связи последующих поколений LTE является возможность одновременного предоставления пользователям услуг с различными требованиями к QoS (Quality of Service), при этом дифференцирование услуг осуществляется за счет системы классов (QoS Class Identifier, QCI). Ключевые отличия услуг разных классов заключаются в типе требования к ресурсам сети, а также в приоритете обслуживания. Услуги могут предоставляться пользователю как с гарантированной скоростью (Guaranteed Bit Rate, GBR), так и без гарантированной скорости (Non-GBR) передачи данных. Рассматриваются две модели соты сети LTE с двумя типами услуг типа GBR: более приоритетная услуга мультивещания, например, видеоконференция, и менее приоритетная услуга, например, видео по запросу. В обеих моделях, в случае недостаточности ресурсов, управление доступом реализовано за счет прерывания обслуживания пользователей менее приоритетной услуги. Помимо этого во второй модели, при наличии ресурсов, более приоритетная услуга может предоставляться не только с гарантированной, но и с максимальной скоростью (Maximum Bit Rate, MBR) передачи данных. Для двух моделей разработан рекуррентный алгоритм для расчета показателей качества обслуживания пользователей в сети LTE.

Бородакий В.Ю.,

Начальник центра ЗАО "ВИВОСС и ОИ", к.т.н, bvu@systemprom.ru

Гудкова ИА,

Доцент кафедры систем телекоммуникаций РУДН, кф.-м.н., igudkova@sci.pfu.edu.ru

Маркова Е.В.,

Ассистент кафедры систем телекоммуникаций РУДН, mkatyushka@mail.iv

Введение

В настоящее время во многих странах осуществляется переход к следующему этапу развития сотовой связи, а именно, переход к мобильным сетям связи четвертого поколения 4G. К четвертому поколению принято относить перспективные технологии, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью 100 Мбит/с для подвижных абонентов. Важное технологическое преимущество стандарта 4G заключается в его совместимости с действующими сетями 3G (UMTS) и 2G (GSM). Технология 4G LTE ¡1,2], получающая все более широкое развитие, характеризуется высокой скоростью передачи данных и повышенным качеством голосовой связи.

В зависимости от требований, предъявляемых к качеству обслуживания (Quality of Service, QoS), все услуги, предоставляемые пользователям сети LTE, подразделяют па девять классов 13-5). Каждый класс услуг характеризуется своим идентификатором QCI (QoS Class Identifier), приоритетом в обслуживании запросов на предоставление услуги (Allocation and Retention Priority, ARP) и типом требования к ресурсам сети.

Значение параметра ARP определяет, будет ли запрос ira предоставление услуги принят на обслуживание, или

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение 14.U02.21.1874, проект 8.7962.2013) и при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 13-07-00953-а.

Ключевые слова: LTE, управление доступом, GBR, MBR, мультивещание, рекуррентный алгоритм, вероятность блокировки.

будет заблокирован. При этом принятие запроса может осуществляться либо за счет прерывания обслуживания пользователей менее приоритетных услуг, либо за счет ухудшения качества обслуживания пользователей менее приоритетных услуг, т.е. за счет снижения скорости предоставления услуги.

I lo типу требования к ресурсам сети все услуги разделяют на два типа:

1. услуги с гарантированной скоростью передачи данных (Guaranteed Bit Rate, GBR)- например, голосовая или видео телефония, игры в режиме реального времени;

2. услуги без гарантированной скорости передачи данных (Non-GBR) - например, электронная почта, просмотр веб-страниц, интерактивные игры.

Для услуг типа GBR определен минимальный (Guaranteed Bit Rate) и максимальный скоростной порог (Maximum Bit Rate, MBR). Таким образом, если схема управления доступом к ресурсам сети предусматривает возможность изменения скорости обслуживания, то при наличии свободных сетевых ресурсов услуга типа GBR. может предоставляться пользователю с максимальной скоростью MBR, в противном случае услуга предоставляется со скоростью не ниже гарантированной GBR.

Увеличение скорости передачи данных в сетях связи последующих поколений LTE способствует повышению качества предоставляемых пользователям услуг, что оказывает непосредственное воздействие па быстрое распространение новых мультимедийных сервисов - например, многопользовательских игр, видеоконференций и др. Анализ качества обслуживания является одним из важнейших направлений исследований в мобильных сетях четвертого поколения. В связи с этим на данный момент актуальными являются задачи разработки оптимальных схем управления доступом к радиоресурсам сети LTE с различными классами услуг [6-10].

В данной статье рассматривается сеть LTE, пользователям которой предоставляются две услуги типа GBR: «видеоконференция» (QCI=2, многоадресная передача данных) и «видео по запросу» (QCI=4, одноадресная передача данных). «Видеоконференция» является услугой мулътивещания | i 11, т.е. предоставляется одновременно нескольким пользователям на одних и тех же ресурсах сети и без дублирования информации. В соответствии с типами услуг, определенными в стандарте 3GPP TS 23.203 [5], услуга «видеоконференция» имеет приоритет, равный 4, а менее приоритетная услуга «видео по запросу» - приоритет, равный 5. Построены две модели одной из возможных схем приоритетного управления доступом к ресурсам сети. В первой модели обе услуги предоставляются пользователю только с гарантированной скоростью GBR. Во второй модели скорость предоставления услуги мультивещания может изменяться: при наличии достаточного числа ресурсов услуга предоставляется пользователям с максимальной скоростью MBR, в противном случае - с гарантированной скоростью GBR, Отсутствие явных аналитических формул, необходимых для расчета показателей качества обслуживания рассматриваемых моделей, приводит к необходимости разработки рекуррентных алгоритмов.

I. Построение модели управления доступом

с прерыванием обслуживания пользователей

Рассмотрим соту сети LTE с суммарной пиковой скоростью С, пользователям которой предоставляются две услуги: услуга мультивещания — «видеоконференция» и услуга одноадресной передачи данных - «видео по запросу». Запросы на предоставление услуг представляют собой пуассоновские потоки с интенсивности ми Л и v соответственно и со средним временем обслуживания и /с"1. Предложенная нагрузка определяется соответственно по формулам р — X!f.t и а — \'!к. Услуга «видео по запросу» предоставляется на скорости G В R d, без ограничения общности будем считать d = I, Ьолее приоритетная услуга «видеоконференция» также предоставляется с гарантированной скоростью GBR h . Однако, если при поступлении запроса на предоставление услуги мультивещания число свободных ресурсов соты меньше b, то осуществляется прерывание обслуживания пользователей услуги одноадресной передачи данных в количестве, необходимом для обеспечения скорости b .

Обозначим п е {0, [,...,С] число пользователей услуги «видео по запросу», m е ¡0, ¡} состояние услуги мультивещания: m — 1 - услуга предоставляется хотя бы одному пользователю, m = 0 - в противном случае. Тогда вектор (т,п) описывает состояние системы. Таким образом, правила приема и обслуживания запросов па предоставление пользователям услуг можно описать следующим образом.

• Запросы па предоставление приоритетной услуги «видеоконференция» всегда принимаются на обслуживание:

I. если число свободных ресурсов соты больше либо равно b, запрос на предоставление услуги принимается на обслуживание;

2. если число свободных ресурсов соты сети меньше Ь, запрос также принимается на обслуживание, но за счет прерывания обслуживания b — [C — dn) пользователей услуги «видео по запросу»,

• Запросы на предоставление менее приоритетной услуги «видео по запросу» могут быть заблокированы;

1. если число свободных ресурсов соты больше либо равно с/, запрос на предоставление услуги принимается на обслуживание;

2. если в момент обслуживания запроса поступает за)!рос на предоставление услуги «видеоконференция», а число свободных ресурсов соты меньше Ь, т.е. C-dn<b, то происходит прерывание обслуживания Ь~(С-с/п) пользователей услуги «видео но запросу»,

выбираемых равновероятно из п пользователей;

3. если число свободных ресурсов соты меньше с/, запрос на предоставление услуги блокируется.

Описанные выше правила доступа к ресурсам соты Проиллюстрированы на рис. 1, где пиковая скорость соты С = 5 , скорости предоставления услуги «видеоконференция» Ь — 3, а услуги «видео но запросу» - И = 1.

0 0 0 0

jMj 1v Д

b i- d 1» S — b

d d S x À

d d d d 1 Y d

d d d d A d

-1-1-i-1-1—

lo Ii h t3 La t

Рис. I. Прерывание обслуживания пользователей менее приоритетной услуги

С учетом введенных обозначений, пространство состояний рассматриваемой системы определяется следующим образом: X = {(/?;,«) е {0,1} х {0, ],..., С}: bm + dn < С}.

Из диаграммы интенсивностей переходов для соответствующего случайного процесса (рис. 2) видно, что для данной модели не выполняется критерий Колмогорова [11], следовательно, распределение вероятностей состояний системы не представ и мо в мультипликативном виде. В связи с чем, предлагается рекуррентный алгоритм расчета распределения вероятностей.

Разобьем пространство состояний системы X на два подпространства следующим образом: X = X, [_J X-, .

Множество X,={(m,n)eX: " — 01 содержит состояния, через вероятности которых выразим вероятности состояний множества X, = |(/и,л) е X: п > 0}.

деление вероятностей полностью совпадает с предыдущим случаем.

3) Множество состояний системы (0,0,/?), /1 = 0,С

эквивалентно множеству состояний (0,/i), при условии

что услуга мультивещания не предоставляется пользователю. Ненормированное распределение вероятностей

имеет вид (3) ¿»(0,0,я) = q(0,n) = а0„ + -q(I,0), при п = 2,С-Ьть+1 коэффициенты a0ll и /?(}И рассчитываются формулами (8) и (9), а при п = C-/>mh, +2,С -

формулами ( 12), {13).

Таким образом, за счет того, ЧТО услуга «видеоконференция» может находиться только в двух состояниях 0 и 1, разработанный рекуррентный алгоритм для расчета распределения вероятностей может быть расширен на случай адаптивного изменения скорости предоставления услуги мультивещания. Положим, что эта скорость может дискретно изменяться m максимального до гарантированного значения bmax = 6, > Ы >... > Ьк > ...> hK = bmm, тогда соответствующий вектор состояния системы ( "Ц = т^т2,...,тк,...,ттш = тК,п) будет эквивалентен вектору ( т, и), а ненормированное распределение вероятностей Q(mmax = >щ,т2,...,тк,...,ттш = тк,п) вычисляться но формуле

?(1,я) = вГ|1(,+ДпЧГ(1,0), lk = \jî:mk = 1, и = 0, С - ,

где г/,,, /У. _ вычисляются но формулам (10).( i 1);

- ч(0.м) = аи„ + ^„д(],0), т = 0,н=2,С-Ьк +1, glnt,.....тк,п)=

где а0п,р0п вычисляются по формулам (8),[91;

= + m = 0, и - С-hK +2Х\

где £'о „, Д:, л вычисляются л о формулам (12),(13), Ввиду адаптивного изменения скорости предоставления услуги мультивещания интерес представляет среднее значение этой скорости:

.....М)+£h С$ £?

Заключение

Таким образом, в статье предложен рекуррентный алгоритм для расчета показателей качества обслуживания пользователей мобильной сети четвертого поколения LTE, поддерживающей две услуги — «видеоконференция» и «видео по запросу». Пользователи этих услуг имеют различный приоритет в обслуживании — услуга «видеоконференция» более приоритетна, к тому же ее скорость может адаптивно меняться во времени в зависимости от загрузки ресурсов сети, тогда как услуга «ви-

део по запросу» менее приоритетна, обслуживание ее пользователей может быть прервано.

В дальнейшем, в первую очередь, планируется проведение численного эксперимента, позволяющего оценить показатели качества рассмотренных моделей, а именно вероятность того, что услуга предоставляется е максимальной или минимальной скоростью, а также значение вероятности блокировки запросов пользователей на предоставление менее приоритетной услуги. Также представляет интерес анализ частоты изменения скорости предоставления услуги.

1. Тихвинский В.О., Терешпьев С.В.. Юрчук А Б. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. - М.: Эко-Трендз. 2010. - 284 с.

2. Stasiak М., Glabowski М., Wisniewiki A., and Zwierzykowski Р Modelling and dimensioning of mobile wireless networks: from GSM Ю LTE!! Willey, 2010. - 340 p.

3. 3GPP TS 36.300: Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (Release 11). -2012.

4. 3GPP TS 23.401: General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access (Release 11). - 2012,

5. 3GPP TS 23,203: Policy and charging contra! architecture (Release 1 1).-2012.

6. Wong T.C., Mark J. W., and Chua K.C. Resource allocation in mobile cellular networks with QoS constraints H Proe. of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference WCNC-2002 (March 17-21, 2002, Orlando. Florida. USA). - IEEE, 2002, -Vol. 2.-P. 717-722,

7. Qian M.. Huang Y„ Shi J.. Yuan Y.. Turn L„ and Dutkiewicz E. A novel radio admission control scheme for mult ¡class services in LTE systems // Proe, of the 7th IEEE Global Telecommunications Conference GLOBECOM-2009 (November 30 - December 4, 2009, Honolulu, Hawaii, USA). - IEEE, 2009. - P. 1-6.

S. Гудкова И.А.. Маркова E.B., Матвейчук И.В. Анализ одной схемы управления доступом к радиоресурсам сети LTE // T-Comm - Телекоммуникации и Транспорт, 2012. - № 7. -С. 67-70,

9. Gudkova I.A. and Samouylov К.Е. Modelling a radio admission control scheme for video telephony service in wireless networks // Lecture Notes in Computer Science, 2012, - Vol. 7469. -P, 208-215.

¡0. Samouylov K.E.. Gudkova I.A., and Maslovskaya N.D. A model for analysing impact of frequency reuse on inter-cell interference in LTE network // Proe. of the 4th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems ICUMT-2012 (October 3-5, 2012, St, Petersburg. Russia). - IEEE, 2012. -P. 311-314.

1 I. Наумов В.А.. Самуилов K.E., Яркиха H.B. Теория телеграфика мультисервисных сегей: Монография. — М.: РУДН, 2007.-191 с.

Литература

Ecursive algorithm for calculating the parameters of the priority access control model in LTE network

Vladimir Y. Borodakiy, "WOSS and OI", Head of the Center, bvu@systemprom.ru, Irina A. Gudkova, Peoples' Friendship University of Russia, Telecommunication Systems Department, associate professor, igudkova@sci.pfu.edu.ru, Ekaterina V. Markova, Peoples' Friendship University of Russia, Tekcommunicaiion Systems Department, Teaching Assistant, mkaiyushka@mail.ru

Abstract: One of the main features of the next generation networks LTE is a possibility to grant services with various requirements of QoS (Quality of Service) to users simultaneously. This differentiation is possible because of the system of classes (QoS Class Identifier, QCI). The main differences between classes are requirement types and service priority. There are two ways of providing service to user: with guaranteed bit rate (GBR) and without guaranteed bit rate (Non-GBR). The article consists of two LTE Network node models including two types of GBR services: the multicasting as more priority service (like video conference) and providing user with video stream on his request. In case of insufficiency of resources both of the models stop providing user with less priority services. In addition, in case of available resources, the second model can provide user not only with GBR but also with maximum bit rate (MBR). The recursive algorithm for calculating the QoS parameters has been developed for the given two models.

Keywords: LTE, radio admission control, GBR, MBR, multicast, recursive algorithm, blocking probability